贾 梦 傅 勇 王卫英 苏筱晴

(①南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210001；②江西洪都航空工业集团有限责任公司制造工程部，江西 南昌330000)

车削十字轴、多通管接头等类型的零件时，需要多次装夹，加工效率低，精度难以保证[1]。为提高加工效率与加工精度，可以采用分度卡盘实现工件各端的连续加工，相比电动、气动卡盘，液压卡盘输出的夹紧力更大、更稳定，因此学者们主要对液压分度卡盘进行研究[2]。液压分度卡盘是一种新型的卡盘结构，通过一次装夹实现工件的卡紧和分度旋转，进而可以对工件多个同轴表面进行一次性加工[3]。

胡际胜[4]针对十字轴的加工研制了一款液压分度卡盘，构建了液压系统并验证了卡盘的工艺性。林伟儒[5]针对十字轴加工试制了一款液压分度卡盘，试验表明卡盘分度功能正常，加工精度达到公差要求。李青[6]运用仿真分析方法对K55型动力卡盘的夹紧力进行研究，对动力卡盘的失效原因进行分析并给出部分解决办法。张文亭[7]等人通过对动力卡盘夹紧机构的研究，建立了动力卡盘的夹紧力和转速的计算模型。

液压卡盘使用时需接入机床数控系统实现自动控制，目前分度卡盘在车床上的适配相关介绍并不多。针对只具有夹紧功能的动力卡盘，王鹏云[8]等人介绍了动力卡盘在西门子数控系统上的控制原理，宋嘎[9]针对液压卡盘控制程序给出了一种基于发那科数控系统的液压卡盘控制功能实现方式，实现了液压卡盘的安全、可靠工作。

针对航空液压多通管接头的加工，本文设计了一种液压分度卡盘及其液压系统，编制了卡盘控制的梯形图程序，实现了卡盘动作的自动控制，试制了卡盘并进行了工件试切。

1 分度卡盘结构设计

1.1 分度机构设计

分度机构的功能是实现加工件的分度转位，需要将液压缸活塞的直线运动转变为分度旋转轴的旋转运动并限位。设计如图1所示的分度机构，由两个分度油缸及分度轴组成，分度油缸加工在卡盘体内，由分度活塞、后盖、导向套及密封件等组成。两个分度缸的出油口、进油口相连，一个分度活塞进位时另一个必然退位，保证了分度活塞动作配合连贯，简化了卡盘体的内部油路。分度轴受分度活塞推动旋转，到位后由活塞顶紧限位。图1a状态时，分度活塞1上的平面与分度轴的平面贴合，活塞受油液压力锁紧分度轴，分度旋转时，油液方向改变，分度活塞1退位放开分度轴，同时活塞2进位推动分度轴逆时针旋转到达图1b的限位位置并锁紧。再次转位时，活塞2退位放开分度轴，活塞1进位推动分度轴继续逆时针旋转。

1.2 分度轴系设计

分度轴结构如图2所示，分度轴上设有与分度活塞配合的四棱柱，与工件下夹具配合的接口，轴内部有中心阶梯通孔，锁紧螺钉穿过中心孔将下夹具锁紧。分度轴在工作过程中径向受切削分力、活塞推力，轴向受切削分力、夹紧力作用，因此需要设置推力滚针轴承、圆柱滚子轴承。分度轴系的结构如图3所示，主要组成包括分度轴、轴承、上透盖及下透盖。上、下透盖对轴系限位，由于卡盘无法实现自定心，安装时需要配磨。

1.3 夹紧机构设计

采用液压缸夹紧工件，输出的夹紧力稳定、易于调整。夹紧时，工件位置保持不变，活塞推动上夹具向下夹紧工件。上夹具需要随工件分度旋转，因此在夹紧油缸活塞与上夹具之间设置轴承。夹紧机构的如图4所示，主要组成包括夹紧活塞、后盖、轴承、防坠螺钉、孔用弹性挡圈及密封件等。其中防坠螺钉穿过上夹具的通孔安装在夹紧活塞上，防止夹具坠落。

1.4 液压系统设计

分度卡盘的液压系统整体结构如图6所示，主要组成包括液压站、分油器和油管等。液压站为系统提供液压油，主要由油箱、油泵、风冷以及阀块等液压元件组成；分油器为旋转状态下的卡盘供油，外壳与内旋转轴之间设有相互独立的油腔，油腔进(出)油口设在外壳上，出(进)油口设在内旋转轴内。工作时，内旋转轴随车床主轴一起旋转，外壳上的油口固定，为旋转状态下的分度卡盘供油；油管包括液压站与分油器间的软管和分油器到卡盘体间的硬管。硬管从车床主轴穿过，卡盘工作时随主轴转动，为减小旋转时离心力的影响，采用硬质油管。

卡盘液压系统的油路简图如图7所示，油箱中的油液经主油泵M1分别进入卡盘的夹紧、分度油路，减压阀调节各油路的压力，电磁阀V1工作在左位时卡盘夹紧工件，工作在右位时卡盘松开工件。电磁阀V2每切换一次工作位，工件就旋转一个分度。液控单向阀的作用是在系统失压时保持一定压力，避免卡盘异常动作，保证系统运行安全。P1～P3为压力表，分别显示夹紧、油泵输出、分度油路的压力。为防止油温过高，液压站还增加了风冷回路。

2 分度卡盘自动控制

2.1 FANUC数控系统

数控车床上，开关量通常采用可编程控制器控制，FANUC系统内置的可编程控制器称为PMC。卡盘液压站上的继电器接入车床24 V输出端子后，需要调用辅助功能(M指令)进行控制。JB/T 3208-1999标准中规定卡盘夹紧、松开指令分别为M10、M11，同时采用M24、M25作为卡盘分度转位的指令。卡盘动作相关的M代码编号、功能及其对应控制的继电器编号如表1所示。

表1 辅助功能M代码功能表

调用辅助功能时，数控系统处理流程如下：

(1)CNC执行加工程序中的辅助功能指令，将代码转换为二进制信号。

(2)CNC向PMC输出M指令选通信号(MF)。

(3)PMC接收到MF后，进行译码、逻辑运算等处理，将其转换为机床所需的动作。

(4)执行完成后，PMC向CNC发送辅助功能结束信号(FIN)。

(5)CNC收到FIN后，将MF置为0，表明CNC已经完成FIN信号的接受处理。

(6)PMC在接收到MF=0信号后，将FIN置为0，辅助功能处理结束。

(7)CNC在接收到FIN=0信号后，结束辅助功能处理。

PMC梯形图中，X、Y触点分别代表机床侧与PMC的输入与输出，F、G触点分别代表CNC与PMC的输入与输出。R触点代表PMC的内部继电器，K触点代表PMC的断电保持型内部继电器。其中Y触点对应车床的24 V输出端子，可以直接控制继电器。PMC梯形图在SUB2程序中编写，编写软件为FANUC Ladder III。

2.2 PMC程序设计

2.2.1 辅助功能指令调用

调用M指令时，CNC将M代码选通信号(MF)、分配结束信号(DEN)置为高电平，CNC将M指令译码输出到PMC，PMC接收到后执行相应的程序段。

编制辅助功能指令调用的梯形图如图8，译码后的指令存放在F10中，SUB25功能指令的作用是将F10中存放的M指令编号译码输出。例如，当程序输入为M10时，对应触点R60.2被设为高电平，当程序输入为M24时，触点R70.0则被设为高电平。

2.2.2 夹紧、松开程序

卡盘的夹紧、松开、分度转位动作程序要求包括：可以调用辅助功能指令来执行，还可由车床面板按钮手动控制；断电重启后，卡盘恢复断电前的状态以保证安全。

编制夹紧梯形图程序如图9，运行夹紧指令M10时，R60.2输出高电平，Y0.3也输出高电平，Y0.3对应24V输出端子，可以驱动继电器，将其接到液压站的Y4继电器上。R170.4触点是控制面板按钮对应的触点，当按下控制面板的夹紧按钮时，R170.4输出高电平，Y0.3也输出高电平，卡盘夹紧。K4.3是断电保持触点，断电后重新上电时，卡盘可以保持夹紧状态。

编制松开梯形图程序如图10，运行松脱指令M11时，R60.3输出高电平，Y0.4也输出高电平，将Y0.4的对应端子接到液压站的Y3继电器上。R170.5触点是机床按钮对应的辅助触点，按下控制面板的对应按钮时，卡盘松脱。K4.4是断电保持触点，断电后重新上电时，卡盘可以保持松脱状态。触点Y0.4与Y0.3只能有一个为高电平，保证了电磁阀动作的正常。

2.2.3 分度旋转程序

编制分度转位的梯形图程序如图11，运行分度旋转1指令M24时，R70.0输出高电平，Y0.5也输出高电平；运行分度旋转2指令M25时，R70.1输出高电平，Y0.6也输出高电平。将Y0.5对应端子接到液压站的Y2继电器，Y0.6的对应端子接到Y1继电器，就可以实现系统程序对卡盘分度旋转的自动控制。图中R270.4、R270.5触点是机床按钮对应的辅助触点，由于控制面板无对应功能按钮，因此改造“台尾顶紧”按钮用作分度旋转。K4.5、K4.6为断电保持触点，断电后重新上电时，卡盘可以保持原有状态。Y0.5与Y0.6只能有一个为高电平，保证了电磁阀动作的正常。

2.2.4 辅助功能结束程序

编制调用结束的梯形图程序如图12，触点R360.0的作用是检查辅助功能程序运行情况，当其为高电平时代表对应功能的程序段运行完毕，卡盘动作完成。当MF(F7.0)与R360.0同时为高电平时，辅助功能结束FIN指令G4.3被设为高电平，PMC向CNC发送结束信号，CNC收到结束信号后，将F7.0置为低电平，G4.3也置为低电平，辅助功能调用完成。

程序仿真验证无异常后导入数控系统，即可调用辅助功能指令或者使用机床按钮控制卡盘动作。

3 卡盘功能验证

安装分度卡盘到数控车床上并进行工件的试切以测试卡盘功能。车床型号为沈阳一机的CAK6150Di，数控系统型号为FANUC 0iMate-TC。卡盘及液压系统安装效果如图13所示，试切后的三通毛坯件如图14所示，试切结果表明，卡盘功能运行正常，动作平稳，试切件的加工误差在公差允许范围内，卡盘符合使用要求。

4 结语

设计了一款专用于航空多通管接头加工的液压分度卡盘，完善了卡盘体的结构设计并设计了卡盘液压系统，设计完善了PMC梯形图程序使卡盘体接入车床数控系统实现自动控制，对卡盘功能进行了试验验证。该款自动分度卡盘具有提高加工效率、减少工装数量、减轻工人负担等优点。