高速开关阀控制的可变夹紧力夹具袁光明1,2　孙厚芳1　陈光明3摘要　针对恒定夹紧力夹具对零件加工精度的影响,提出一种变夹紧力夹具方案。

该夹具根据切削力的大小,优化分析工件最佳的夹紧点位置及各点的夹紧力,能够自动调整夹紧力的大小,以适应切削力,减少加工系统的切削变形。

采用同工步数字控制技术,实现自适应夹紧功能,采用高速开关阀作为液压系统的动态控制元件控制夹紧力的大小。

关键词:自适应夹具　高速开关阀　变夹紧力中图分类号:T H16　文献标识码:A　文章编号:1671—3133(2005)06—0070—03A a lterable cl am p i n g force f i xture con troll able by h i gh speed on2off va lveY uan Guangm i n g,Sun Houfang,Chen Guangm i n gAbstract　Presents a concep tual fra me work of alterable clamp ing f orce fixture considering the effects of an invariable cla mp ing f orce t o the defor mati on accuracy of workp ieces in multi p le2stati on nu merical contr olled manufacturing.A alterable cla mp ing force fixture can aut omatically adjust its cla mp ing force t o adap t t o the cutting f orce t o reduce the cutting def or mati on of machining sys2 te m.Self adap ting cla mp ing was achieved by nu merical contr olled technol ogy according t o different p r ocess step.I n order t o obtain the cla mp ing f orce,high s peed on2off valves are adap ted t o contr ol the hydraulic p ressure syste m.The p r ogress and policy of con2 tr ol of the fixture system are briefly intr oduced.Key words:Self adapti n g f i xture　H i gh speed on2off va lve　A lterable cl am p i n g force 在夹具的常规设计中,对静态的定位误差和夹紧误差进行较多研究。

然而,对加工过程中因切削力等因素变化而引起的动态误差及其消除方法研究较少。

随着数控技术的普及,经数控加工的零件数量越来越多。

在加工中心上加工零件,其加工特点是一次安装完成多个粗、精工序切削加工。

为了保证零件在不同切削力状态下稳定加工,夹具的夹紧力必须按照最大切削用量确定,这往往造成低刚度、精密零件的夹紧变形。

本文研制的变夹紧力夹具,可以在加工过程中根据切削力的大小相应调整夹紧力的大小,夹紧力与切削力相适应,使夹紧力产生的工件变形达到最小,并采用数字控制技术,实现自适应夹紧的功能。

1　变夹紧力夹具如图1所示为采用高速开关阀控制的夹具变夹紧力控制部分框图,其主要组成有机械装置、液压系统、电气控制系统及控制软件等。

按功能划分,主要由夹紧力优化系统、夹紧力自适应控制系统和夹紧力执行系统等组成。

工件加工前,首先进行计算机三维建模,利用有限元软件对工件三维实体模型进行刚度分析,确定工件刚度的薄弱环节,优化分析其最佳的夹紧点位置及各点的夹紧力。

刚度分析计算的力参数来自工件的NC 加工程序。

切削参数提取模块从NC程序中提取加工用量,由式(1)计算切削力的数值:图1　夹具系统组成F z=a p h m C ssinγ0(1)…………………………………式中,ap为切削深度;hm为切屑厚度;γ为刀具前角;C s为单位横截面上的切削力(N/mm2),由试验求得。

夹紧力自适应控制系统接收夹紧力优化系统输入的夹紧力数据,由夹紧力控制计算机进行数据处理,并输出控制用脉宽调制(Pulse W idth Modulati on,P WM)信号。

压力检测反馈系统检测油缸的实际压力,由计算机对P WM信号进行修正。

夹紧力执行系统完成对工件的夹紧功能。

设计时,采用了液压系统的控制方案,根据控制系统提供的夹紧力大小信息,配用高速开关阀完成压力的实施与控制。

如图2所示为夹具的液压系统原理图。

本夹具系　工艺与工艺装备　统可以控制5路独立的油缸。

图中画出2路。

油缸的油压力由高速开关阀VH 分别独立控制。

为提高压力稳定性,设置蓄能器X 。

油源回路采用定量泵的开式回路,压力控制油路采用卸荷式溢流阀控制回路。

表1所示为液压系统的主要元件列表。

图2　液压系统组成Y 1液压缸　X 1蓄能器　P 1压力变送器　K 1手动开关VH 1高速开关阀　V 13位4通电磁换向阀　YV 1电磁溢流阀表1　液压系统主要元件序号名称型号主要参数生产商1油泵R215B /13TK D-V115流量215L /m in 额定压力45MPaHAW E2三位四通阀NBVP16G -24G 通径6HAW E3高速开关阀HS V 23202C7200Hz贵州红林4压力变送器DT2222MS D -T7输出信号4220mAHAW E5油缸S LLD 292缸径32mm 杆径25mm ENER P AC6蓄能器ACL 2202126c m 3ENER P AC 7溢流阀BF0/250流量12L /m inHAW E 夹具设计时,为方便使用,设置手动和自动两种操作方式。

手动方式主要用于调整和确定系统参数。

当参数确定后,在自动方式下工作,其动作循环是:前进ϖ夹紧ϖ退回ϖ停止。

其电磁铁动作状态如表2所示。

表2　自动方式电磁铁动作状态电磁铁液压缸动作状态前进夹紧退回停止D 0+++-D 1--+-D 2++--D 3--+-D 4++--DH 1P WM P WM P WM -DH 2P WMP WMP WM-2　基于高速开关阀的夹具动态控制高速开关阀是一种快速响应开关式数字电磁阀,是电子与液压器件之间理想的接口元件。

高速开关阀最显著的特点是,能够直接接受数字信号对流体系统的压力或流量进行P WM 脉宽调制。

与液压伺服和比例控制系统相比,高速开关阀控制系统的快速响应及抗污染能力强,体现出更突出的工程适应性。

鉴于高速开关阀的特点,本夹具系统选用HS V 23202C7常开式高速开关阀作为动态控制元件,其动态响应时间开放小于215m s,关闭小于315m s,最大工作频率大于200Hz,其设计寿命不小于109次。

结合夹具工作条件,将其控制流量限制在9L /m in 以下。

211　夹紧的响应及速度控制本系统利用高速开关阀的脉宽调制P WM 方法进行动态响应控制,其响应过程如图3所示。

在一个控图3　系统的动态响应过程制周期t f 内,t dn 是阀打开时的滞后时间,t on 是开启时间,t on -t dn 则为阀芯从开始运动到全部打开的运动时间,即启动信号响应时间。

t df 为关闭滞后时间,t off 为关闭时间,t off -t df 则为阀芯从开始关闭到全闭时的时间,即结束信号响应时间。

滞后时间是决定响应速度的关键因素,滞后时间t on 和t off 越小,则系统的动态响应特性越好。

滞后时间主要是由于阀芯的惯性和摩擦等因素产生的。

另外,由于阀控制线圈是一个感性负载,其电流增加有一个过程,只有当电流值达到一定数值时,作用在阀芯上的力才能推动阀芯产生运动,阀芯从开始运动到运动结束也需要一定的时间,因而滞后现象无法避免。

滞后现象导致阀工作时,产生零位死区和饱和现象。

为了消除或减少阀的时间滞后,系统对滞后时间进行补偿。

首先测定液压系统中阀的实际滞后时间,在决定占空比τ时,对滞后时间加以考虑,预先给调制中的脉冲幅值以某种程度的加宽来抵消滞后时间的影响。

本夹具系统中,设计液压油缸的内径为D,活塞杆直径为d,则系统工作时活塞杆的移动速度为:v =4Qπ(D 2-d 2)(2)………………………………式中,Q 为输入油缸的流量。

流过高速开关阀的平均　工艺与工艺装备　流量Q 为:Q =τCA2Δp ρ(3)……………………………式中,τ为脉冲信号占空比,τ=t p /t f ;t f 为脉冲信号周期;t p 为脉冲宽度;C 为流量系数;A 为阀的流通截面积;Δp 为阀的进油口与控制口压力差;ρ为流体密度。

如果忽略泄漏等因素影响,则Q =Q 。

由式(3)可见,高速开关阀输出的流量与占空比τ成线性关系。

因此本系统在夹紧过程中,只要控制P WM 的占空比,就能调节夹紧的速度。

系统选用西门子P LC 进行控制。

由CP U226模块、E M222继电器输出模块以及E M231模拟量输入模块三个模块组成。

CP U226的Q010和Q011两个输出端能产生最高频率为20kHz 的脉冲,以包络形成P WM 波;E M222模块的各继电器输出端分别接电动机继电器、电磁溢流阀及三位四通阀的各电磁铁;E M231模块接收来自传感器模拟信号,将其反馈到CP U 中处理。

高速开关电磁阀的频率一般在200Hz (周期为01005s )。

在此通过P LC 的高速脉冲输出端口,向高速开关电磁阀输入周期为01005s 而占空比τ不同的P WM 信号,在脉冲宽度调制信号作用时,高速开关阀处于P WM 工作方式。

控制占空比τ在15%～85%之间,则高速开关阀的流量控制范围是1135～7165L /m in,同时使用5个油缸,则能够控制夹紧速度在1411～8013mm /s 。

212　夹紧力控制在夹具的工作过程中,当夹紧元件与工件接触后,需要将控制方式由速度控制改为压力控制方式,即当图4　夹紧控制过程接触工件后,液压系统压力逐渐上升,直到达到设定值。

如图4所示为自适应夹紧力数控夹具控制过程:在开始启动的一段时间t s 内,夹紧机构没有与工件接触,夹紧元件以速度控制方式快速接近工件,当快要接触工件时,转为力控制方式。

为防止突然加压造成工件受到撞击,慢速接近工件进行夹紧,达到设定的大小值。

在进行压力控制时,高速开关电磁阀的控制口可交替地与进油口及回油口相通,相通的时间长短不同,从而达到控制压力高低的目的。