普通三爪卡盤改造為電動卡盤

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1、普通三爪卡盤改造為電動卡盤 劉棣中，陳偉珍（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧530023 ） 摘要：總結(jié)普通機(jī)床數(shù)控化改造的經(jīng)驗(yàn)，介紹普通三爪卡盤自動化改造的方法，為提高機(jī)床的生產(chǎn)效 率提供有益的幫助。 關(guān)鍵詞：三爪卡盤；電動；改造；控制 Abstract: The text summed up the experiences of changing general machine to CNC, introdu ce the means of changing general scroll chuck to automatic, in order to provide profi

2、table hel ps for increasing the production efficiency of machine. Keywords: scroll chuck, electromotion, change, control 1普通三爪卡盤改造的意義 在普通機(jī)床數(shù)控化改造的過程中，主要是進(jìn)行機(jī)床進(jìn)給裝置的數(shù)控化改造，對于機(jī)床附件和其他功能 的數(shù)控化改造，則視實(shí)際需要而定。如：普通車床數(shù)控化改造中，一般并不進(jìn)行三爪卡盤的改造，但 是，如果所改造的車床用于大批量生產(chǎn)，則自動三爪卡盤卻是提高生產(chǎn)率的關(guān)鍵。因此，如何在投資 少、時間短的基礎(chǔ)上將原有手動三爪卡盤改造為自動三爪卡盤，

3、仍然是值得關(guān)注和研究。常見的自動 三爪卡盤有液壓式和電動式兩大類，因?yàn)槠胀ㄜ嚧惨话悴粠в幸簤合到y(tǒng)，電動式又來得比較方便，故 本文只就電動三爪卡盤談?wù)勛约旱慕?jīng)驗(yàn)。 2普通三爪卡盤的改造方法 2.1改造的思路 圖1 圖2 原有的手動三爪卡盤是通過人工轉(zhuǎn)動小錐齒輪，使螺旋盤帶動卡爪實(shí)現(xiàn)工件的松開和夾緊。這個過程 即花費(fèi)了時間也增加了的勞動強(qiáng)度，為使松夾工件的過程能自動完成以提高工作效率，可將原有三爪 卡盤改造為液壓傳動或電動方式的自動三爪卡盤。一般液壓傳動方式對原有卡盤的改動較大、液壓系 統(tǒng)需要較大的投資，而且夾緊過程需要保持壓力，使液壓系統(tǒng)更為復(fù)雜，故常用的改造方式是將手動 三爪卡盤改造為

4、電動三爪卡盤。其基本原理如圖 1 所示，在主軸內(nèi)孔中裝一傳動軸與卡盤內(nèi)部聯(lián)接， 在床頭箱上安裝一個異步電動機(jī)，通過皮帶傳動將電動機(jī)的運(yùn)動傳給傳動軸，通過控制電動機(jī)正反轉(zhuǎn) 使卡爪夾緊和松開。 2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計 電動三爪卡盤應(yīng)滿足卡爪活動范圍大、可夾持工件的尺寸范圍大，裝夾力度可靠，并可實(shí)現(xiàn)自鎖等要 求。為此，可以保留原來的螺旋盤帶動卡爪實(shí)現(xiàn)工件的松開和夾緊這一套機(jī)構(gòu)。但是，由于三相異步 電動機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，對松夾工件不利，因此在傳動軸和螺旋盤之間增加了具有大傳動比的行星齒輪機(jī) 構(gòu)。如圖 2 所示。這是由兩排行星機(jī)構(gòu)組成的行星傳動裝置，為使結(jié)構(gòu)緊湊，將兩排行星機(jī)構(gòu)的太陽 輪、行星輪設(shè)計成完全一樣，

5、也就是共用太陽輪和行星輪。 其工作原理為：行星輪 Z4同時與太陽輪Z2、固定齒圈Z3及轉(zhuǎn)動齒圈Z5嚙合，平面螺旋盤與轉(zhuǎn)動齒圈 Z5固定連結(jié)，電動機(jī)的運(yùn)動通過皮帶傳動使太陽輪 Z2轉(zhuǎn)動，并通過行星傳動裝置的轉(zhuǎn)動齒圈 Z5帶動 螺旋盤轉(zhuǎn)動，從而帶動卡爪夾緊或松開工件。 2.3 夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算 行星輪系由一個太陽輪、一個固定齒圈、一個轉(zhuǎn)動齒圈和行星齒輪架組成。當(dāng)太陽輪轉(zhuǎn)動時，由于固 定齒圈與外殼固定不動，迫使行星齒輪架繞公共軸線轉(zhuǎn)動、行星輪自轉(zhuǎn)，同時帶動可動齒圈轉(zhuǎn)動。固 定齒圈與轉(zhuǎn)動齒圈的齒數(shù)差很少，使轉(zhuǎn)動齒圈作反向低速轉(zhuǎn)動，而轉(zhuǎn)動齒圈與螺旋盤連接成一體，達(dá) 到了以較低的速度夾緊工件的目

6、的。 行星輪系傳動裝置主要受到原有卡盤內(nèi)部空間的限制， 所以在設(shè)計的過程中應(yīng)根據(jù)空間大小設(shè)計齒輪。 首先根據(jù)切削力大小計算選擇電機(jī)，再由夾緊力和夾緊速度設(shè)計行星輪系。具體如下： 圖 3 車削時進(jìn)給拖板上的載荷 2.3.1 車削抗力分析 [1] 車削外圓時的切削抗力分解為 Fx、Fy、Fz。主切削力Fz與切削速度方向一致，垂直向下，是計算車床 主軸電機(jī)切削功率的主要依據(jù)。切深抗力 Fy與縱向進(jìn)給方向垂直，影響加工精度或已加工表面質(zhì)量。 進(jìn)給抗力 Fx 與進(jìn)給方向平行且相反指向，設(shè)計或校核進(jìn)給系統(tǒng)剛度時用。 2.3.2 拖板工作載荷的計算 由于Fx與Fy所消耗的切削功率可以略而不計

7、，因此車床的切削功率 Pm為 kw) 式中：Fz和v的單位分別為N和m/s?？紤]到機(jī)床的傳動效率，機(jī)床的電機(jī)功率 Pe為 （ kw ） 式中：nm為機(jī)床主傳動系統(tǒng)傳動效率，一般取 0.75?0.85。 因此，主切削力Fz的大小可以按機(jī)床主電機(jī)功率計算 （N） 式中： v 可取主軸傳遞全部功率時的最低切削速度 （m ／s）。 進(jìn)給抗力Fx和切深抗力Fy可按下列比例分別求出 Fz： Fx： Fy=1： 0.25 ： 0.4 2.4 夾緊力的計算 三爪卡盤的夾緊力必須足夠大，保證在加工過程中工件夾緊安全可靠。故夾緊力除了克服主切削力 Fz 和進(jìn)給抗力Fy產(chǎn)生的合力外，還應(yīng)考慮

8、安全保障，在計算結(jié)果中乘以一個安全系數(shù) Kp,取Kp = 1.1? 1.3。 2.5 行星輪系設(shè)計 根據(jù)卡盤的大小，選定齒輪直徑和設(shè)計齒輪的模數(shù)后即可得到各齒輪的齒數(shù)。設(shè)太陽輪分度圓直徑為 D2，齒輪模數(shù) m，則齒數(shù)z = D2/m ;設(shè)行星齒輪分度圓直徑 d4，則其齒數(shù)z4=;設(shè)固定齒圈分度圓 直徑d3，齒數(shù)Z3 =d3/m。設(shè)轉(zhuǎn)動齒圈齒數(shù)為 Z5，為了得到大的傳動比，必須使齒數(shù) Z5比Z3少若干個 齒，而齒輪5、齒輪3同時與齒輪4嚙合，即中心距a43= a45，故齒輪5和齒輪3中必有一個是變位 齒輪。由行星輪系傳動比的計算得下列兩式： 和 將 n3= 0 代入聯(lián)合解上述兩式得：

9、 ① ② 的差值越大則齒輪 5 和齒輪 3 的齒數(shù)相差越大，則傳動比越小，而且齒輪的變位系數(shù)越大，給齒輪加 工帶來困難，故 的值盡量小。 （1 ） 設(shè) 分別代入①式和②式得： 和 若已知Z2= 60，則Z5—Z3=6，即兩個內(nèi)齒輪的齒數(shù)差為 6，設(shè)z5 = 100，則Z3= 94，由③式得傳動比。 （2） 若設(shè) k1－k 2= 0.05 分別代入①式和②式得： 右已知Z2= 60，則z 5 —z 3=3 ,即兩個內(nèi)齒圈的齒數(shù)差為 3 ,設(shè)Z5 = 100，則Z3= 97,由⑤式得傳動比。 依此類推，可得到合適的傳動比。 2.6 變位齒輪的計算 設(shè)Z3為變位齒輪，則 a45

10、為標(biāo)準(zhǔn)中心距，通過 Z3齒輪的變位使中心距 a43= a45，計算方法如下。 （1 ） 計算嚙合角 變位前的中心距為 ， 變位后的中心距為 ， 則： 。 （2） 計算變位系數(shù) ，由于變位之后中心距加大，即 ＞，所以齒輪Z3與Z4的嚙合傳動為正傳動，故計算結(jié)果 。 （3） 計算齒頂高變動系數(shù) 。 （4）分配變位系數(shù)，取 ，_則＞ 0。 3 電動卡盤控制電路的設(shè)計 電動卡盤的控制電路如圖 4 所示。其中， QF1 為電動機(jī)斷路器， FV1 為滅弧器， M1 為控制電動 機(jī)， SB1 為夾緊按鈕。當(dāng) SB1 按下時， KM1 線圈通電， KM1 的主輔常開觸點(diǎn)接通，其輔助觸點(diǎn)并接

11、 在SB1兩端實(shí)現(xiàn)了自保持，主觸點(diǎn)接通 M1主回路使之正轉(zhuǎn)并通過傳動軸帶動轉(zhuǎn)動齒圈 Z5轉(zhuǎn)動，再通 過平面螺旋盤帶動卡爪夾緊工件。隨著夾緊力的不斷增加，電機(jī)電流會相應(yīng)加大，當(dāng)電流超過一定值 時，電流繼電器 KA1 動作，其常閉觸點(diǎn)斷開， KM1 線圈回路斷電，電機(jī) M1 停轉(zhuǎn)。夾緊力的大小與電 流繼電器的動作電流成對應(yīng)關(guān)系，通過計算和試驗(yàn)的方法可測定工件的夾緊力，并通過調(diào)整電流繼電 器的動作電流實(shí)現(xiàn)工件夾緊力的調(diào)整。 M1 停轉(zhuǎn)后，由于卡爪在平面螺旋盤中有自鎖作用，卡爪在工件加工過程中不會自動松開。當(dāng)需 要松開工件時，只要按下點(diǎn)動控制的松開按鈕 SB2， KM2 線圈通電使 M1 反轉(zhuǎn)并帶動卡爪松開工件； SB2 按鈕一放開， KM2 線圈斷電， M1 停轉(zhuǎn)。 在電路的設(shè)計過程中，為防止主回路短路， M1 正反轉(zhuǎn)的接觸器和控制按鈕均采用了互鎖，過電 流繼電器的常閉接點(diǎn)均串接在兩個接觸器的線圈回路中。 圖 4 電動三爪卡盤控制電路圖 參考文獻(xiàn)： [1]吳振彪 .機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo) [M]. 北京：中國人民大學(xué)出版社， 2000. [2]東北重型機(jī)械學(xué)院 .機(jī)床夾具設(shè)計手冊 [M]. 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社， 1986 收稿日期： 2006 —12 —05 作者簡介：劉棣中（ 1962 —），男，助理實(shí)驗(yàn)師。主要從事數(shù)控機(jī)床、液壓傳動技術(shù)教學(xué)工作。