陈开银，伍绍彬，杨景香

（1.湖南宇环智能装备有限公司，湖南 长沙 410100；2.永清环保股份有限公司，湖南 长沙 410330）

0 引言

车床被认为是所有工业设备的工作“母机”。随着现代工业的发展，自动化加工流水线的普及，工件的类型越来越丰富，为了适应异型工件的加工，对车床也提出了更高的要求，因此适用于异形工件而且可以自动装夹工件的车床符合现代制造业的发展趋势，将会给现代制造业带来效率的巨大提升。

本文通过对车床主轴的智能化改造，使车床可以加工异形工件的回转面，且在加工结束时将主轴精确地停在确定的位置上，并通过液压控制可自动压紧和松开工件，配合机械手，可满足自动化生产线的需求。

1 车床主轴系统

本文研制了一种适合异形工件自动装夹的车床主轴系统，由伺服电机、同步带、旋转接头、编码器、车床标准主轴、主轴连接法兰、转角油缸、压板等组成，如图1所示。该系统舍弃了车床原有的夹爪卡盘，改为特殊设计的主轴连接法兰。主轴连接法兰上的定位夹具根据工件设计，法兰上设置有转角油缸，通过液压系统来控制压板压紧和松开工件。法兰内部设置有油路，通过转动主轴内部的油路，连接到主轴另一端的旋转接头，再到油缸。机床主轴上安装有编码器，与主轴固定。在每次加工结束后，通过检查和校对主轴转动角度，进一步控制和提高主轴转动精度。

1.1 工件夹持

如图2所示的某款铝合金材质的机油泵泵体是一个异形工件，其内腔和油嘴是需要通过车削加工的，由于泵体周边极不规则，传统的三爪、四爪卡盘均不能满足装夹的需求。要实现适合机械手自动上下料的自动车削加工，必须要开发一款适用于自动加工异形工件的车床夹具工装。本文在充分了解产品特性及加工工艺的情况下，设计了特殊的夹具工装，与主轴连接并随着主轴做回转运动。当加工内腔时，工件竖直放置，夹具工装结构设计如图3所示；加工油嘴时，工件需水平放置，夹具工装结构设计如图4所示。主轴法兰上设置有转角油缸，转角油缸上固定有用于压紧工件的压板，主轴法兰内部设置有油路，这些油路一端与转角油缸相连，另一端通过机床主轴内部的油路，连接到主轴尾部的旋转接头，再连接到液压站进行油液的循环，使得整个液压系统接入到中控系统中，通过程序统一控制液压阀，在合适的时候控制压板压紧工件和松开工件。

图1 适合异形工件自动装夹的车床主轴系统

图2 工件（机油泵泵体）

1.2 主轴准停

由于自动化生产线中需要机械手去抓取和放置工件，必须保证工件的位置精度，因此车床主轴停止转动时必须精确停止到相应的位置。通用数控车床的主轴均是由同步带与主轴伺服电机连接的，由于同步带是柔性的，因此，主轴停止的位置控制精度达不到机械手上下料高精度准停的要求，为此，本文在车床主轴上安装了增量式旋转编码器（见图1），该旋转编码器由光栅盘（分度码盘）和光电检测装置（接收器）两部分组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔，光电检测装置固定于车床床身，光栅盘与主轴同轴固定，主轴旋转时，光栅盘与电机同速旋转，发光二极管垂直照射光栅盘，将光栅盘图像投射到由光敏元件构成的光电检测装置上，光栅盘转动所产生的光变化经转换后以相应的脉冲信号变化输出，控制系统通过对脉冲信号分析就可以精确地获取主轴的角度位置信息。主轴伺服电机、同步带和编码器三者组成了驱动和检测的闭环控制系统来控制主轴的精准位置。机床选用的伺服电机已具有相当高的准停精度，编码器通过比较当前主轴位置和预期理想位置的差距，计算出主轴还应该转动的圈数，并发送信号给伺服电机执行。接下来，伺服电机和编码器会一直重复以上的过程，进行动态校正调整、位置检查、发出信号、电机执行矫正，直至编码器确认主轴位置达到预期精度，整个过程会在很短的时间内结束。

2 结论

（1）针对产品特性及加工工艺，设计开发了专用的适合于异形工件自动车削的夹具系统，解决了异形工件自动车削的装夹问题。

（2）考虑到工件通过机械手自动上下料，需要非常高的定位精度，设计开发了主轴准停系统，实现了车床主轴的高精度准停，为自动化上下料打下了基础。

图3 工件竖直放置（加工内腔）

图4 工件水平放置（加工油嘴）