龙门机床附件铣头自动交换装置设计

王增新 许翠芳 王文强

(北京航空制造工程研究所，北京 100024)

配备附件铣头的三坐标数控龙门机床，具有一次装卡、五面加工的优异性能，性价比较高，在数控加工制造企业应用较为普遍。附件铣头的交换过程比较复杂，手动交换费时费力、严重影响机床的使用效率。而且附件铣头生效时，刀具姿态、铣头尺寸发生变化，相关坐标的限位保护等控制程序要发生相应变动。

笔者研制的数控三坐标龙门铣床，配备了附件铣头自动交换装置，并运用多种技术对附件铣头和防护盖板的交换、使用过程进行控制，提高了机床的性能和使用效率。

1 机床概述

FG32040 MA数控三坐标龙门铣床(图1)的总体结构为固定龙门工作台移动式，三轴联动，配备自动交换附件铣头，可进行五面加工。

主要技术参数:主轴功率为37 kW(S1)/45 kW(S6);主轴扭矩为1300 N·m(S1)/1900 N·m(S6);主轴最高转速为4000 r/min;工作台尺寸为4000mm×2000mm;坐标最大移动速度为15000mm/min。

FG32040 MA是针对航空数控零件加工特点设计制造的，机床结构紧凑、刚性大、功能强，主要用于钛合金、高强度结构钢、铸铁等材料制成的航空零件及工装模具的强力数控加工。

2 自动交换附件铣头接口设计

附件铣头自动交换结构设计，包括定位、夹紧、传动、控制、防护等部分。附件铣头的接口(图2)设计与滑枕和机床主轴密切相关，需要在滑枕端面、机床主轴周围布置液压、气动、冷却、控制等配套快插接头和定位装置，配套主轴相关尺寸也要根据结构需要作相应设计。

端齿盘是自动交换附件铣头的定位装置，其安装的同轴度、安装面的平面度、安装面相对主轴轴线的垂直度都会影响附件铣头的几何精度。因此，端齿盘安装面的精度要求很高，而且端齿盘定位圆锥销的配铰，需在附件铣头所有几何精度调试完成后进行，确保附件铣头的工作精度。

4个拉紧油缸和机床主轴拉刀机构，共同作用完成附件铣头的拉紧与松开动作。拉紧油缸的安装必须保证在同一平面，而且与机床主轴拉刀机构具有一定的位置关系，4个油缸的拉紧与松开动作必须同步，才能保证附件铣头的拉紧与松开动作正常。

附件铣头转位和主轴旋转的动力源均来自机床主轴电动机，通过主传动系统的机床主轴锥柄驱动，附件铣头转位和主轴旋转的动作切换由附件铣头内部机构实现。附件铣头内部设有一油缸，油缸活塞运动实现附件铣头C摆转位齿轮和主轴旋转齿轮的工作状态切换，控制附件铣头C摆转位或主轴旋转并互锁保护。油缸的动作由液压阀进行控制，通过分别安装在滑枕端面和附件铣头端面的快插接头进行联通。

附件铣头每个动作执行到位的检测均需要传感器进行反馈，附件铣头C摆夹紧、松开到位检测为附件铣头内部传感器进行反馈，其余位置检测均需设计相应外部传感器。附件铣头C摆和主轴的角度位置控制信号，均来自机床主轴的旋转编码器。

附件铣头与滑枕的连接界面，因功能需要分布有端齿盘、拉紧油缸和快插接头。在不连接附件铣头时，这些元件都应该被可靠防护，以免污损影响附件铣头的正常工作。防护盖板(图3)正是基于此设计的，在附件铣头取下时由4个油缸拉起防护盖板对连接界面诸多接口进行有效防护。

此外，接口设计过程中还要考虑定位端齿盘、快插接头、拉紧油缸、附件铣头锥柄的相关配合尺寸，在保证各功能正常前提下预留一定安全间隙。

附件铣头和机床主轴的定位、夹紧、控制、位置检测等功能的实现依赖诸多控制线缆和管线(图4)，需要在滑枕内部进行排布。滑枕端部与附件铣头相关的连接板、主轴套筒和滑枕的结构设计初期就需要考虑好各种管线的排布(图5)、扳手空间等诸多事项，否则后期装配调试时很难处理此类问题。

3 自动交换装置设计

自动交换装置，分为两部分，如图6所示，下层为附件铣头自动交换的头库小车，上层为防护盖板自动交换的盖板小车。小车均由气缸推动，沿线性导轨运行。小车工作时，由气缸推出到位，滑枕主轴沿 Y向移动至附件铣头或防护盖板的正上方，然后下降至Z向设定位置，主轴和相关配套附件配合完成附件铣头或防护盖板的自动交换功能。

附件铣头和防护盖板自动交换功能的安全设计，是自动交换功能设计的关键要素。自动交换控制流程(图7)包含若干步骤，每一步骤的执行都要具备相应的前提条件，只有当系统确认条件满足时才能够执行下一步指令。

附件铣头自动交换流程中每一步动作的完成，均需要由相应的控制信号进行确认，确保动作到位。其中，防护门、头库小车、盖板小车到位检测，由安装在气缸上的磁环开关提供反馈信号。机床主轴有刀/无刀检测、小车前方障碍物检测、附件铣头/防护盖板在库检测、附件铣头/防护盖板工作位置检测，均需设计相应的传感器进行反馈。正常工作的控制逻辑是附件铣头和防护盖板只有其中之一在库，且安装在滑枕端部的传感器提供相应的反馈，确认未在库的附件铣头或防护盖板在工作位置。

机床主轴拉刀/松刀信号，是用接近开关检测机床主轴后端检测环的位置提供反馈，只有当机床主轴处于无刀拉紧状态，才能够执行自动抓取附件铣头或防护盖板的指令。若机床主轴的检测环与拉刀机构相连，则能够区分机床主轴的无刀拉紧、有刀拉紧和松刀3种工作状态。部分主轴的检测环是与松刀油缸的活塞相关联，而油缸在非松刀状态必须退回油缸底部才允许主轴旋转，此类设计的主轴就无法提供有刀拉紧的检测位置，必须从外部设置长距离探测传感器检测机床主轴端部是否有刀。

小车前方障碍物检测，是为了保证小车推出时不会撞到工件、卡具、维护人员等发生危险。由于小车具有较大截面，单个传感器难以覆盖整个区域。因此，为保证小车推出的安全，设定小车推出时工作台处于远离主轴的极限行程位置，使得工作台上的工件、卡具等远离小车的工作位置。由于传感器的探测范围是如图8所示的纺锤形，障碍物检测的工作距离为0～750mm，将障碍物检测传感器安装于小车的前下部，能够有效探测位于工作台面边缘的障碍物，防止自动交换过程中发生危险。

此外，附件铣头自动交换装置设计过程中还要考虑小车移动的定位精度、交换位置的几何精度、交换装置的刚性等影响自动交换功能的其他因素，在自动交换流程调试完成后还要作若干次的运行测试，确保工作过程稳定可靠。

4 结语

自动交换附件铣头相关机构、接口及自动交换装置设计，是一个系统工程，需要从结构、布局、安全、工艺性等多角度综合考虑，既要保证相关功能又要保证各项精度，并且还要结合实际运行试验验证整个系统功能的可靠性。