数控龙门铣附件头自动装卸及转位功能实现

甄亚涛

（中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

数控龙门铣配备直角附件头、延伸附件头和窄直角附件头，可以实现5 个面的自动加工。实现附件头的自动装卸及转位，在很大程度上节约了加工辅助时间，降低了操作者的劳动强度。

以XKA2430×80 数控龙门铣（定梁）为例，分别从设备的松拉刀机械结构、液压油缸机构的动作实现及其原理、PLC 程序的设计及报警提示信息等方面进行分析，对附件头的自动装卸及转位功能的实现进行阐述。

1 机械部分

1.1 设备组成

XKA2430×80 数控龙门铣机械结构主要由工作台、横梁、立柱、滑枕及拖板、附件头库等组成[1]。本设备配备了1 个直角附件头、1 个窄直角附件头（可完成产品狭小空间处的加工）、1 个延伸附件头及相应的3 个附件头小车，其中仅直角与窄直角附件头需要进行自动转位，以实现一次抓取完成产品4 个面的加工。

1.2 附件头

与附件头装卸及转位有关的机构如图1 所示。

（1）抓取附件头流程。确认附件头小车与附件头已推放在指定位置后，首先Z 轴升至安全位置，Y 轴移动至附件头正上方，此时依次先后松开捕捉器、副拉爪、主轴拉爪。Z 轴向下移动至滑枕下端面与附件头上表面距离40 mm 处（Z 轴坐标为-472.0，即主轴拉爪抓取主拉钉位置），主轴拉爪夹紧并抓起附件头（此时滑枕下端面与附件头上表面间隙有1～3 mm），然后副拉爪（4个）拉紧副拉钉（此时附件头完全拉紧，前述1～3 mm 间隙消除），捕捉器夹紧夹持件凹槽处，至此附件头完全安装到位，Z 轴上升至安全位置。

（2）卸附件头流程。卸附件头的顺序与上述过程基本相同，当Z 轴移动至-472.0 位置时，依次先后松开捕捉器、副拉爪、主轴拉爪，至此附件头刚好落放在附件头小车上，然后Z 轴向上移动至安全位置，依次先后拉紧主轴拉爪、副拉爪，捕捉器夹紧，卸附件头完成。

（3）直角附件头转位流程。附件头转位过程与卸附件头过程类似，当副拉爪松开后，捕捉器夹紧的状态下（作为安全保护），主轴拉爪半松开，此时附件头上表面与滑枕下端面的距离为40 mm，锁紧键块插进主拉钉机构内的槽内（正常加工时，此锁紧销为缩回状态）。此时，当主轴旋转时可带着附件头整体作4×90°旋转。旋转至相应角度后，主轴拉爪拉紧，然后副拉爪拉紧，至此完成附件头转位的整个过程。

1.3 副拉爪松紧机构

副拉爪松紧机构（共4 个）主要由拉紧油缸、松开油缸、碟形弹簧和拉爪等部件组成，如图2 所示。当执行附件头抓取动作时，先是松开油缸通入高压油（27 MPa 左右），压缩蝶形弹簧使副拉爪打开，然后松开油缸卸压，拉紧油缸通高压油，并同碟簧力的共同作用下，副拉爪夹紧副拉钉，即抓紧附件头。

此套机构每组碟形弹簧的拉紧力为16 kN，液压油缸的拉紧力为27 kN，合计拉紧力为43 kN，4 个拉紧机构合计为43×4=172 kN，此拉紧力可保证附件头在进行切削加工时的稳定。

1.4 主轴拉爪松紧机构

主轴拉爪松紧机构与副拉爪松紧机构类似，不同之处为主轴松拉爪油缸安装在Z 轴滑枕的上方，需要设计传力杆将油缸活塞向下的压力施加在主轴拉爪机构上。此油缸执行单元可以实现拉爪在3 个位置，即拉紧位置、松开位置以及半松开位，故又称为“三位油缸”。

图1 直角附件头部分结构

图2 副拉钉松紧机构

三位油缸主要包括（上腔）活塞1、（下腔）活塞2 以及油缸体等部件。在执行主轴拉爪放松时，仅油腔2 内通入18 MPa 的压力油，推动活塞2 向下移动，进而压缩碟簧，松开主轴拉爪（拉爪位移为49.6 mm）。当油腔2 内压力油卸荷时，在蝶形弹簧的作用下，推动活塞2 向上移动，拉爪夹紧。

当执行附件头转位动作时，油腔1 先通入压力油将活塞1向上移动，油腔2 后通入压力油。活塞1 向上移动后，便限制了活塞2 向下移动的行程（因上下腔压力相等），此时主轴拉爪将处于半松开状态，附件头上表面与滑枕下端面的距离为40 mm，可以执行附件头转位动作。

2 液压原理

由上文分析可知，附件头装卸及转位共涉及到3 个液压油路，即主轴拉爪夹紧放松油路、副拉爪夹紧放松油路、捕捉器夹紧放松油路等。主轴拉爪与捕捉器夹紧/放松共用一个液压泵输出油路，设计系统油路压力为17 MPa。油路设置储能器及高低压检测压力继电器，在执行动作时，确保输出压力不会瞬间掉落。副拉爪夹紧放松油路与此类似，设计压力为27 MPa。

电磁阀动作表见表1，其中，“+”为通电，“-”为断电。以主轴拉爪中位为例，当电磁阀YV003、YV001 先后依次得电（因上下腔压力相等，所以YV001 要在YV003 得电5 s 后再得电，才可起到限制活塞2 向下行程的作用），YV002 断电的情况下，主轴拉爪将处于半松开状态。

表1 电磁阀动作表

3 PLC 控制程序

机床在运行NC 程序抓取或卸下附件头、附件头转位的过程中，由PLC 负责采集并处理外部输入逻辑信号，控制机床各执行机构的动作，并接受处理数控系统发出的指令信息。

3.1 附件头及其小车识别

机床装/卸附件头时，首先需确认相应的附件头小车已到位，在小车的停靠位置装有3 个行程开关，以识别不同的小车信息，见表2，其中，“1”为有信号，“0”为无信号。滑枕下端面装有7个接近开关，以识别附件头号及附件头角度，以直角附件头为例，角度识别见表3，其中，“1”为有信号，“0”为无信号。

表2 小车识别

3.2 附件头装卸程序设计

首先介绍西门子数控系统M 功能指令译码，定义M80 为松拉爪、M81 为紧拉爪、M82 为松捕捉器、M83 为紧捕捉器、M84附件头转位开始、M85 附件头转位结束、M76 为松主轴拉爪、M77 为紧主轴拉爪，此类M 指令均为动态功能代码，动态M 功能（M00～M99）由基本PLC 程序解码[2]。

表3 角度识别

如M84 指令对应的PLC 点位为DB21.DBX204.4，此信号为一个扫描周期信号，需要用其他辅助M 点位进行状态保存。

上述NC 程序对应PLC 程序处理的过程如下。

上述程序段完成了在抓取附件头时主轴拉爪夹紧条件的判断，以及主轴拉爪液压阀路的控制，并实现主轴拉爪抓紧动作。

上述程序段完成了捕捉器夹紧指令的处理，并完成了捕捉器夹紧阀路的控制，实现了捕捉器的夹紧动作。

附件头卸下及转位的程序时相应M 指令的执行及逻辑动作控制与上述类似，在此不作叙述。

3.3 提示信息及报警程序

利用西门子DB2 数据块可以激活西门子系统内相应的报警文件，并在相应的报警/提示界面可以看到机床当前的报警及状态提示信息。以副拉爪夹紧为例，程序段如下。

由上述程序可知，当4 个副拉爪信号同时为1 时则会提示副拉爪已拉紧，相反，若任意一个或多个信号为0 时，则会触发副拉爪拉紧故障。

4 总结

从机械结构、液压控制原理、PLC 控制程序等多方面进行分析，以实现数控龙门铣附件头的自动装卸及转位，很大程度缩短设备辅助作业时间，降低人工参与程度及劳动强度。