自动化必备要素：刀具监视系统、夹具检测机构

一往冇前

随着部件功能和精度要求进一步提高，自动化综合性加工任务要求机床设备能力也要得到不断地改进，以此实现更好的可靠性。对此，仅依靠对机械性能的优化已经不能满足要求，停机时间、设备故障率、残次品成本和测量与检验等各项费用均成为了企业关注的焦点。

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刀具监视系统的应用分析

机床的基础性能决定了产线的基本配置，然而实际的加工效果则需要刀具来保证。在主轴与刀柄之间哪怕存在着极微小的异物，也会造成铣镗刀具装卡不准确，导致次品率上升和停机事故频发，传感器辅助的监视系统可以有效阻止此类事故的发生。

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以传动机构部件为例，此类部件必须实现高精度加工，以达到高效运行并确保最大的安全性能。但是，一旦切屑和废料等异物进入到加工接触面，铣床的精度就会丧失殆尽。异物将会在接触面上沉积下来，并在各接触面之间生成一条缝隙。

▲汽车传动部件

在以复合加工工艺和联合机床为特征的批量加工汽车产品部件时，单台设备和流程均可对整条生产流水线的加工过程和质量产生影响。因装夹精度不足而造成的机床加工误差往往要到下一道质量控制环节时才能被发现。除了产生残次品部件之外，这样的事件还会导致单台设备或整条生产线的停机。同时，查找和排除故障、识别工件和重新运行所需跟踪时间都会产生额外的费用。

▲监视系统被集成到刀具主轴上，由此该电子组件可以在旋转的主轴上自行工作

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1、通过采用监视系统来规避误差

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在切削加工过程中避免残次品和停机事故的办法是对机床设备的特征进行状态监视。其目标便是对误差进行早期识别，对可能造成的损伤进行规避，并采取整治措施。对此还可采用基于动压测定原理的成熟的系统。在更换刀具之后，可以对压缩空气吹洗通道的压力进行求值。如果在刀具和刀柄之间出现间隙的话，压力就会随着间隙的加大而降低。通过这种原理，可以对大于30 μm的间隙进行测定。

由于部件的精度在提高，高精度传感器可以起到很好的辅助作用。它可以对刀具状态进行连续监视。这种测量技术可以以微米级的精度对刀具的位移进行测定，记录偏差数值并及时发出报警信号，以免制造出有误差的部件。

▲高精度传感系统的构造

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带有空心锥杆（HSK）的刀柄在装夹时的定位和可重复精度取决于主轴与刀柄接触面的贴合程度和贴合精度，这也是为何刀具连接处对异物非常敏感的原因。切屑主要是在更换刀具时被带入，但在刀具库里，接触面也会受到污染。例如冷却润滑剂的残余物凝固之后便会在刀柄接触面上形成一个污物膜。事实上，在刀具更换过程中可以采取空气吹洗作业。

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▲吹气清洁：接触面上的不同气流速度分布导致不均匀的清洁效果

▲异物进入会导致刀具倾覆、轴位移

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在加工质量方面，决定性因素在于异物对刀具位置和刀具中心点(TCP)位置的影响。根据异物的不同尺寸、形状和位置，在刀具接触点上会产生某种同圆度误差，而原因可能在于刀具发生倾斜或发生轴位移，以TCP在接触面上产生可测量间隙和相应位移的方式表现出来，因此可以利用这个结论来对监视刀具在接触面上的测距传感元件进行最佳布置。

夹具检测机构的应用示例

以前对夹具的要求可能只是定位精确、夹紧稳定，但随着产业升级，自动化、智能制造等趋势其实也从侧面对夹具提出了新的要求，必须要与机床进行信号交互，包括工件到位检测，加紧检测，位置漂移检测，工件识别等。在此我们从一些常见的元件举例分析。

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1、气检定心机构

定心机构在面对铝合金件等轻型零件、或者外径较小的零件时，可以代替常规销/卡盘等部件，较为精准的应用。定心机构用于自动线时也需要加上检测功能，将气检的开关阀集成到三点定心机构，在轮毂加工的自动线夹具中使用效果良好。

2、气检的内外径夹具

▲外径夹具结构

外径夹具动作说明：工件以耳形对应指示点放入后，以底面靠山（紫色标注）作为基准，夹套边夹紧边和工件一起后移，从而使定位面更好的贴合基准面。

▲内涨式夹具结构

内涨夹具动作说明：工件放入后，以底面靠山（蓝色标注）作为基准，涨套边涨紧，边和工件一起后移，从而使定位面更好的贴合基准面。

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以上两种后拉式心轴气检夹具如下特点：涨套边涨紧边和工件后移可以纠正工件放置的一些偏差；在一定尺寸范围内，更换同类型产品，只需更换基础件及涨套即可，减少因产品更换原因产生的时间以及经济成本。设置检测气孔，在有积屑以及其他导致未贴近基准面的状况下，报警停机，防止精度超差产品产生；配备气密检测功能，如果工件安装时工件轴线和主轴轴线偏离，气体会溢出触发压力检测器，送出信号到机床控制系统，并可以产生提示信号强制机床停机，起到了自动化防错作用。

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以上应用及案例中可以看出，刀具使用监视系统后能够精确的反映实时的夹持状态，避免未及时发现的加工误差；夹具配合使用气密检测以后可以随时实时检测工件定位的精准性，排除杂屑和异物进入导致的工件报废。因此刀具监视系统、夹具检测系统是稳定性生产的重要支撑，也是自动化的必备要素。

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