使用传感器提高刀具主轴夹持效果

图1 主轴是机床的核心部件。这个重要的
部件决定着加工工件的尺寸精度和表面质量

刀具夹持装置的功能取决于整个夹持过程的效果。与以往的技术方案相反，一种新型的传感器可以实现无接触作业，并不受与旋转主轴距离的影响。所集成在内部的电子系统还可以实现依照事件控制的状态检查。

主轴是机床的核心部件。它决定着加工工件的尺寸精度和表面质量。主轴的主要任务在于切削过程中对刀具进行精确和安全的引导。通过采用自动化的刀具更换装置，可以降低各道工序之间的换刀时间，提高整台加工设备的效益。无论是直接驱动的主轴，还是间接驱动的主轴，每个刀具主轴均拥有一套夹持装置。

夹紧和松开单元可以采用气动方式，也可以采用液压或电动方式，并通过轴向移动拉杆装置来控制夹持状态。主轴会把轴向移动的准确行程信息反馈给加工中心的控制系统。这里至少会有三种不同的夹持状态：在夹持过程中，刀具夹持单元会报告“刀具已夹持”。在夹持过程之后，刀具被弹出，松开单元会报告“刀具弹出”。若在下一个工序中主轴夹持器上没有刀具，则会发出 “主轴无刀具”的信号。常规的方法是采用一种机械终端开关来确定轴向夹持位置。较新型的技术方案则是采用无接触的感应接近开关，它既可以进行二进制开关动作，也可以对刀具夹持器位置进行连续和模拟的控制。在一个纯二进制的位置问询中，各个夹持位置只能够被近似测出，而模拟位置问询则可以对整个工作流程中的夹持状态进行连续的监控。通过这种连续模拟信号反馈功能，可以实现对夹持状态的在线监控，并可直接干预潜在的夹持力损耗的危险。由此可以改善加工质量并提高整个夹持过程的安全性。

以往所有的感应模拟夹持问询技术均需借助于锥形的控制盘。这种控制盘必须得到非常精确的加工和定位。若在夹持过程中拉杆发生受热延伸，则会导致主轴的同心度误差和控制盘的高度冲击。因此，在这种状况下，传统的接近传感器会提供错误的信号。过滤这些错误信息需要耗费很多时间，并无谓地延迟了夹持控制系统的调节回路。

图2 PMI传感器测定与夹具运动方向一致的控制盘的
位置。PMI传感器可以提供稳定的、与行程成正比的
初始信号，其测量范围至14mm，定位分辨率为33μm

一种全新的夹持问询技术便是Pepperl+Fuchs公司的PMI无接触感应传感器技术。与传统的技术方案不同，这种传感器可以测得与夹具运动方向一致的极简易的控制盘的位置。由于这种传感器不受距离的影响，因此，即使是主轴存在着同心度误差，也可以连续提供无跳跃或电子抖动的位置信号。

PMI传感器可以提供稳定的、与行程成正比的初始信号，其测量范围至14mm。在位置分辨率为33μm的情况下，这种传感器的工作精度明显要高于传统的接近开关。传感器在安装到主轴上之后，刀具夹持器的行程便会被一次性地读入到电子系统里。传感器的初始信号也可以被设定为8mm或10mm的较短的夹持行程刻度。这样即可省去对每个终端开关的信号接收和费时费力的纠偏。通过PMI技术，即使主轴已经安装到机床设备或加工中心上，制造厂商也可以更有效率地在机床设备上调节主轴，设备操作人员也可对位置数值进行简单的校准。由于所需的连接螺栓的数量较小，因此，不仅监控系统安装起来比较简便，同时也可降低因振动引起的各位置开关松动的危险。

通过一个内置的处理器，PMI系统可成为一个智能型的机电信号转换器。在最简单的情况下，传感器可模拟斜面或控制锥体的连续信号斜坡。此外，还可为初始信号设立模型。由此可以对不同坡度范围作出定义。通过这种配置，设备的控制系统可以省去运算过程，并可加快夹持调节器的速度。

所提供的PMI-F112型传感系统还可以设有IO-link接口。该接口除了纯粹过程数据传送功能之外，也可以进行动态的参数改写或对所记录的事件数据进行周期性的摘录。在夹持过程中，通过动态参数改写，可以对因拉杆长度膨胀而发生的工作点的推移进行补偿。而所记录的事件数据除了可以是主轴作业时间之外，还可以是夹持事件的数量。在经过一定数量的夹持循环之后，主轴即会主动申报维护。这个内置功能是将来监控机床主轴运行状态的一个非常重要的组件功能。