自動化必備要素：刀具監視系統、夾具檢測機構

一往冇前

隨著部件功能和精度要求進一步提高，自動化綜合性加工任務要求機床設備能力也要得到不斷地改進，以此實現更好的可靠性。對此，僅依靠對機械性能的優化已經不能滿足要求，停機時間、設備故障率、殘次品成本和測量與檢驗等各項費用均成為了企業關注的焦點。

刀具監視系統的應用分析

機床的基礎性能決定了產線的基本配置，然而實際的加工效果則需要刀具來保證。在主軸與刀柄之間哪怕存在著極微小的異物，也會造成銑鏜刀具裝卡不準確，導致次品率上升和停機事故頻發，傳感器輔助的監視系統可以有效阻止此類事故的發生。

以傳動機構部件為例，此類部件必須實現高精度加工，以達到高效運行并確保最大的安全性能。但是，一旦切屑和廢料等異物進入到加工接觸面，銑床的精度就會喪失殆盡。異物將會在接觸面上沉積下來，并在各接觸面之間生成一條縫隙。

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▲汽車傳動部件

在以復合加工工藝和聯合機床為特征的批量加工汽車產品部件時，單臺設備和流程均可對整條生產流水線的加工過程和質量產生影響。因裝夾精度不足而造成的機床加工誤差往往要到下一道質量控制環節時才能被發現。除了產生殘次品部件之外，這樣的事件還會導致單臺設備或整條生產線的停機。同時，查找和排除故障、識別工件和重新運行所需跟蹤時間都會產生額外的費用。

▲監視系統被集成到刀具主軸上，由此該電子組件可以在旋轉的主軸上自行工作

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1、通過采用監視系統來規避誤差

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在切削加工過程中避免殘次品和停機事故的辦法是對機床設備的特征進行狀態監視。其目標便是對誤差進行早期識別，對可能造成的損傷進行規避，并采取整治措施。對此還可采用基于動壓測定原理的成熟的系統。在更換刀具之后，可以對壓縮空氣吹洗通道的壓力進行求值。如果在刀具和刀柄之間出現間隙的話，壓力就會隨著間隙的加大而降低。通過這種原理，可以對大于30 μm的間隙進行測定。

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由于部件的精度在提高，高精度傳感器可以起到很好的輔助作用。它可以對刀具狀態進行連續監視。這種測量技術可以以微米級的精度對刀具的位移進行測定，記錄偏差數值并及時發出報警信號，以免制造出有誤差的部件。

▲高精度傳感系統的構造

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帶有空心錐桿（HSK）的刀柄在裝夾時的定位和可重復精度取決于主軸與刀柄接觸面的貼合程度和貼合精度，這也是為何刀具連接處對異物非常敏感的原因。切屑主要是在更換刀具時被帶入，但在刀具庫里，接觸面也會受到污染。例如冷卻潤滑劑的殘余物凝固之后便會在刀柄接觸面上形成一個污物膜。事實上，在刀具更換過程中可以采取空氣吹洗作業。

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▲吹氣清潔：接觸面上的不同氣流速度分布導致不均勻的清潔效果

▲異物進入會導致刀具傾覆、軸位移

在加工質量方面，決定性因素在于異物對刀具位置和刀具中心點(TCP)位置的影響。根據異物的不同尺寸、形狀和位置，在刀具接觸點上會產生某種同圓度誤差，而原因可能在于刀具發生傾斜或發生軸位移，以TCP在接觸面上產生可測量間隙和相應位移的方式表現出來，因此可以利用這個結論來對監視刀具在接觸面上的測距傳感元件進行最佳布置。

夾具檢測機構的應用示例
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以前對夾具的要求可能只是定位精確、夾緊穩定，但隨著產業升級，自動化、智能制造等趨勢其實也從側面對夾具提出了新的要求，必須要與機床進行信號交互，包括工件到位檢測，加緊檢測，位置漂移檢測，工件識別等。在此我們從一些常見的元件舉例分析。

1、氣檢定心機構

定心機構在面對鋁合金件等輕型零件、或者外徑較小的零件時，可以代替常規銷/卡盤等部件，較為精準的應用。定心機構用于自動線時也需要加上檢測功能，將氣檢的開關閥集成到三點定心機構，在輪轂加工的自動線夾具中使用效果良好。

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2、氣檢的內外徑夾具

▲外徑夾具結構

外徑夾具動作說明：工件以耳形對應指示點放入后，以底面靠山（紫色標注）作為基準，夾套邊夾緊邊和工件一起后移，從而使定位面更好的貼合基準面。

▲內漲式夾具結構

內漲夾具動作說明：工件放入后，以底面靠山（藍色標注）作為基準，漲套邊漲緊，邊和工件一起后移，從而使定位面更好的貼合基準面。

以上兩種后拉式心軸氣檢夾具如下特點：漲套邊漲緊邊和工件后移可以糾正工件放置的一些偏差；在一定尺寸范圍內，更換同類型產品，只需更換基礎件及漲套即可，減少因產品更換原因產生的時間以及經濟成本。設置檢測氣孔，在有積屑以及其他導致未貼近基準面的狀況下，報警停機，防止精度超差產品產生；配備氣密檢測功能，如果工件安裝時工件軸線和主軸軸線偏離，氣體會溢出觸發壓力檢測器，送出信號到機床控制系統，并可以產生提示信號強制機床停機，起到了自動化防錯作用。

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以上應用及案例中可以看出，刀具使用監視系統后能夠精確的反映實時的夾持狀態，避免未及時發現的加工誤差；夾具配合使用氣密檢測以后可以隨時實時檢測工件定位的精準性，排除雜屑和異物進入導致的工件報廢。因此刀具監視系統、夾具檢測系統是穩定性生產的重要支撐，也是自動化的必備要素。