普通三爪卡盘改造为电动卡盘

普通三爪卡盘改造为电动卡盘

刘棣中，陈伟珍（广西水利电力职业技术学院，广西南宁530023）

摘要：总结普通机床数控化改造的经验，介绍普通三爪卡盘自动化改造的方法，为提高机床的生产效率提供有益的帮助。

关键词：三爪卡盘；电动；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 profitable hel ps for increasing the production efficiency of machine.

Keywords: scroll chuck, electromotion, change, control

1 普通三爪卡盘改造的意义

在普通机床数控化改造的过程中，主要是进行机床进给装置的数控化改造，对于机床附件和其他功能的数控化改造，则视实际需要而定。如：普通车床数控化改造中，一般并不进行三爪卡盘的改造，但是，如果所改造的车床用于大批量生产，则自动三爪卡盘却是提高生产率的关键。因此，如何在投资少、时间短的基础上将原有手动三爪卡盘改造为自动三爪卡盘，仍然是值得关注和研究。常见的自动三爪卡盘有液压式和电动式两大类，因为普通车床一般不带有液压系统，电动式又来得比较方便，故本文只就电动三爪卡盘谈谈自己的经验。

2 普通三爪卡盘的改造方法

2.1改造的思路

图1 图2

原有的手动三爪卡盘是通过人工转动小锥齿轮，使螺旋盘带动卡爪实现工件的松开和夹紧。这个过程即花费了时间也增加了的劳动强度，为使松夹工件的过程能自动完成以提高工作效率，可将原有三爪

卡盘改造为液压传动或电动方式的自动三爪卡盘。一般液压传动方式对原有卡盘的改动较大、液压系统需要较大的投资，而且夹紧过程需要保持压力，使液压系统更为复杂，故常用的改造方式是将手动三爪卡盘改造为电动三爪卡盘。其基本原理如图1所示，在主轴内孔中装一传动轴与卡盘内部联接，在床头箱上安装一个异步电动机，通过皮带传动将电动机的运动传给传动轴，通过控制电动机正反转使卡爪夹紧和松开。

2.2结构设计

电动三爪卡盘应满足卡爪活动范围大、可夹持工件的尺寸范围大，装夹力度可靠，并可实现自锁等要求。为此，可以保留原来的螺旋盘带动卡爪实现工件的松开和夹紧这一套机构。但是，由于三相异步电动机的转速较高，对松夹工件不利，因此在传动轴和螺旋盘之间增加了具有大传动比的行星齿轮机构。如图2所示。这是由两排行星机构组成的行星传动装置，为使结构紧凑，将两排行星机构的太阳轮、行星轮设计成完全一样，也就是共用太阳轮和行星轮。

其工作原理为：行星轮Z4同时与太阳轮Z2、固定齿圈Z3及转动齿圈Z5啮合，平面螺旋盘与转动齿圈Z5固定连结，电动机的运动通过皮带传动使太阳轮Z2转动，并通过行星传动装置的转动齿圈Z5带动螺旋盘转动，从而带动卡爪夹紧或松开工件。

2.3夹紧机构的设计计算

行星轮系由一个太阳轮、一个固定齿圈、一个转动齿圈和行星齿轮架组成。当太阳轮转动时，由于固定齿圈与外壳固定不动，迫使行星齿轮架绕公共轴线转动、行星轮自转，同时带动可动齿圈转动。固定齿圈与转动齿圈的齿数差很少，使转动齿圈作反向低速转动，而转动齿圈与螺旋盘连接成一体，达到了以较低的速度夹紧工件的目的。

行星轮系传动装置主要受到原有卡盘内部空间的限制，所以在设计的过程中应根据空间大小设计齿轮。首先根据切削力大小计算选择电机，再由夹紧力和夹紧速度设计行星轮系。具体如下：图3车削时进给拖板上的载荷

2.3.1车削抗力分析[1]

车削外圆时的切削抗力分解为F x、F y、F z。主切削力F z与切削速度方向一致，垂直向下，是计算车床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力F y与纵向进给方向垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力F x与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统刚度时用。

2.3.2拖板工作载荷的计算

由于F x与F y所消耗的切削功率可以略而不计，因此车床的切削功率P m为

（kw）

式中：F z和v的单位分别为N和m/s。考虑到机床的传动效率，机床的电机功率P E为

（kw）

式中：ηm为机床主传动系统传动效率，一般取0.75~0.85。

因此，主切削力F z的大小可以按机床主电机功率计算

(N)

式中：v可取主轴传递全部功率时的最低切削速度(m／s)。

进给抗力F x和切深抗力F y可按下列比例分别求出

F z：F x：F y=1：0.25：0.4

2.4夹紧力的计算

三爪卡盘的夹紧力必须足够大，保证在加工过程中工件夹紧安全可靠。故夹紧力除了克服主切削力F z 和进给抗力F y产生的合力外，还应考虑安全保障，在计算结果中乘以一个安全系数K p，取K p＝1.1～

1.3。

2.5行星轮系设计

根据卡盘的大小，选定齿轮直径和设计齿轮的模数后即可得到各齿轮的齿数。设太阳轮分度圆直径为D2，齿轮模数m，则齿数z＝D2/m；设行星齿轮分度圆直径d4，则其齿数z4＝；设固定齿圈分度圆直径d3，齿数z3＝d3/m。设转动齿圈齿数为z5，为了得到大的传动比，必须使齿数z5比z3少若干个齿，而齿轮5、齿轮3同时与齿轮4啮合，即中心距a43＝a45，故齿轮5和齿轮3中必有一个是变位齿轮。由行星轮系传动比的计算得下列两式：

和

将n3＝0代入联合解上述两式得：

①

②的差值越大则齿轮5和齿轮3的齿数相差越大，则传动比越小，而且齿轮的变位系数越大，给齿轮加工带来困难，故的值尽量小。

（1）设分别代入①式和②式得：

和

若已知z2＝60，则z5－z3=6，即两个内齿轮的齿数差为6，设z5＝100，则z3＝94，由③式得传动比。（2）若设k1－k2＝0.05分别代入①式和②式得：

和

若已知z2＝60，则z5－z3=3，即两个内齿圈的齿数差为3，设z5＝100，则z3＝97，由⑤式得传动比。依此类推，可得到合适的传动比。

2.6变位齿轮的计算

设z3为变位齿轮，则a45为标准中心距，通过z3齿轮的变位使中心距a43＝a45，计算方法如下。

（1）计算啮合角

变位前的中心距为，

变位后的中心距为，

则：。

（2）计算变位系数

，由于变位之后中心距加大，即＞，所以齿轮z3与z4的啮合传动为正传动，故计算结果。

（3）计算齿顶高变动系数。

（4）分配变位系数，取，则＞0。

3 电动卡盘控制电路的设计

电动卡盘的控制电路如图4所示。其中，QF1为电动机断路器，FV1为灭弧器，M1为控制电动机，SB1为夹紧按钮。当SB1按下时，KM1线圈通电，KM1的主辅常开触点接通，其辅助触点并接在SB1两端实现了自保持，主触点接通M1主回路使之正转并通过传动轴带动转动齿圈Z5转动，再通过平面螺旋盘带动卡爪夹紧工件。随着夹紧力的不断增加，电机电流会相应加大，当电流超过一定值时，电流继电器KA1动作，其常闭触点断开，KM1线圈回路断电，电机M1停转。夹紧力的大小与电流继电器的动作电流成对应关系，通过计算和试验的方法可测定工件的夹紧力，并通过调整电流继电器的动作电流实现工件夹紧力的调整。

M1停转后，由于卡爪在平面螺旋盘中有自锁作用，卡爪在工件加工过程中不会自动松开。当需

要松开工件时，只要按下点动控制的松开按钮SB2，KM2线圈通电使M1反转并带动卡爪松开工件；SB2按钮一放开，KM2线圈断电，M1停转。

在电路的设计过程中，为防止主回路短路，M1正反转的接触器和控制按钮均采用了互锁，过电流继电器的常闭接点均串接在两个接触器的线圈回路中。

图4 电动三爪卡盘控制电路图

参考文献：

[1]吴振彪.机电综合设计指导[M].北京：中国人民大学出版社，2000.

[2]东北重型机械学院.机床夹具设计手册[M].上海科学技术出版社，1986

收稿日期：2006—12—05

作者简介：刘棣中（1962—），男，助理实验师。主要从事数控机床、液压传动技术教学工作。