夾緊力自適應(yīng)數(shù)控三爪卡盤的研制*

陳炳森 梁建和

(廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023)

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，而忽視了機(jī)床附件和其他功能的數(shù)控化改造，雖然也可以購買配套的自動三爪卡盤，但是，目前車床用自動三爪卡盤只是自動夾緊，卻很少有自動控制夾緊力的，更談不上適應(yīng)加工需要控制夾緊力了，這就大大提高了對機(jī)床操作者的要求、降低了生產(chǎn)率。因此，如何在投資少、時間短的基礎(chǔ)上將原有普通手動三爪卡盤改造為自動、夾緊力可適應(yīng)加工需要的工件夾持工具，以降低對機(jī)床操作者的要求和提高生產(chǎn)率，受到業(yè)內(nèi)人員的廣泛關(guān)注。

1 普通機(jī)床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造的必要性

在發(fā)達(dá)國家中，機(jī)床的數(shù)控化率已達(dá)25%以上，而我國是世界制造大國，金屬切削機(jī)床擁有量在300萬臺以上，這些機(jī)床大多數(shù)是使用多年的普通機(jī)床，自動化程度低，數(shù)控化率約3%，使用不方便。要想在近期內(nèi)全部用自動和精密設(shè)備代替現(xiàn)有的設(shè)備，無論是資金還是機(jī)床制造的水平都無法達(dá)到。因此，老設(shè)備數(shù)控化改造具有廣闊市場。對學(xué)校教育來說，足夠的數(shù)控設(shè)備是保證學(xué)生實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)，在資金有限的情況下，對普通設(shè)備進(jìn)行數(shù)控化改造不失為一條改善教學(xué)條件的有效途徑。同時，舊設(shè)備的改造屬于機(jī)床再制造，充分利用了資源，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，符合當(dāng)下節(jié)能環(huán)保的時代主題，順應(yīng)了我國“十二五”時期大力發(fā)展再制造業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。

2 現(xiàn)有三爪卡盤存在的問題

傳統(tǒng)的機(jī)床如車床、銑床上三爪卡盤的工作一般依靠工人用手工進(jìn)行夾緊，不但增加了工人的勞動強(qiáng)度，而且所需夾緊力有非常大的也有較小的，還常常有夾不緊或夾壞工件的情況發(fā)生，制約了生產(chǎn)率的提高。

隨著機(jī)械加工行業(yè)發(fā)展，自動卡盤的需求量加大。但現(xiàn)有的自動卡盤大都為氣動或液壓，電動卡盤缺乏，且夾緊力不能適應(yīng)加工要求。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的氣動或液壓三爪卡盤，其結(jié)構(gòu)均為1 個執(zhí)行缸驅(qū)動3 個卡爪同時夾緊，起到自定心裝夾工件作用。從機(jī)械結(jié)構(gòu)上看，卡盤的3 個卡爪具有相同功能，但是經(jīng)過仔細(xì)檢測，3 個卡爪裝夾工件的精度并不一樣，相差也較大，工件中心很難與主軸回轉(zhuǎn)中心同軸。即使調(diào)整得比較精確，由于工件自身夾持面的偏差，當(dāng)切削力較大時，夾持力也很難保證，不能進(jìn)行大進(jìn)給量的切削，甚至造成廢品或發(fā)生事故，制約了氣動或液壓卡盤的應(yīng)用。另外，夾緊力過大還會使工件的變形過大，甚至導(dǎo)致加工后的工件變形量超出圖樣要求。如何實(shí)現(xiàn)提高加工效率的同時，又能保證加工精度、控制工件變形，已成為一個非常重要且極具現(xiàn)實(shí)意義的工藝課題。

3 三爪卡盤改造的思路

常見的自動三爪卡盤有液壓式和電動式兩大類，如果將手動卡盤改為液壓卡盤，由于中、高檔卡盤及油缸價格較高，還要配備液壓系統(tǒng)，使投資較大，且還不能滿足夾緊力自動控制的要求。而且，液壓傳動方式對原有卡盤的改動較大，夾緊過程需要保持壓力，使液壓系統(tǒng)更為復(fù)雜。電動卡盤的優(yōu)勢在此就充分體現(xiàn)出來了，它既有自動卡盤的高效率，能適應(yīng)自動化生產(chǎn)的需要，又有手動卡盤使用范圍廣泛、卡爪調(diào)整量大的優(yōu)點(diǎn)。因此，開發(fā)數(shù)控夾緊力自適應(yīng)三爪卡盤是企業(yè)提高生產(chǎn)率、降低成本、提升市場競爭力的有效途徑。另外，作為機(jī)床改造，在原有機(jī)床沒有液壓系統(tǒng)的情況下，將手動三爪卡盤改造為電自動三爪卡盤，更為簡單實(shí)用。

將普通三爪卡盤改造為數(shù)控自適應(yīng)三爪卡盤，由力適應(yīng)卡爪裝置夾持功能單元、數(shù)控驅(qū)動裝置動力功能單元、普通三爪卡盤體外殼等組成，利用步進(jìn)電動機(jī)、伺服電動機(jī)便于數(shù)字控制和驅(qū)動力矩大的特點(diǎn)，使三爪卡盤具有夾緊力可適應(yīng)加工需要、轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，解決工件自動夾緊與夾緊力控制、夾緊力保持的矛盾，達(dá)到動作準(zhǔn)確、運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠的目的，實(shí)現(xiàn)卡盤夾緊、松開和分度自動化控制，縮短裝夾工件時間，解決手工操作效率低、精度差等問題。既能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)自動化程度高、操作快捷的需要，又達(dá)到安全、節(jié)能的效果，將有助于改善生產(chǎn)環(huán)境和解放勞動生產(chǎn)力。

通過調(diào)查研究和大量實(shí)驗(yàn)形成夾緊力自適應(yīng)控制系統(tǒng)，還可實(shí)現(xiàn)工件夾緊力根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)要素和材料要素、切削要素進(jìn)行自動的調(diào)整，提高了車床使用效率和工件加工的效率，降低了廢品率和對操作者的技術(shù)要求。

4 自適應(yīng)三爪卡盤的設(shè)計(jì)

(1)基本組成

保留原有三爪卡盤螺旋盤帶動卡爪實(shí)現(xiàn)工件的松開和夾緊這一套機(jī)構(gòu)，在床頭箱上安裝一臺步進(jìn)電動機(jī)，通過皮帶傳動將電動機(jī)的運(yùn)動傳給傳動軸，并將傳動軸與三爪卡盤的螺旋盤聯(lián)接，在結(jié)構(gòu)、運(yùn)動、安裝、控制等方面進(jìn)行實(shí)質(zhì)性研制后得出三爪卡盤改造后的基本結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。在床頭箱上安裝一臺由數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動的電動機(jī)，通過機(jī)械傳動帶動卡爪夾緊工件，通過大量實(shí)驗(yàn)形成夾緊力自適應(yīng)測量控制系統(tǒng)，通過監(jiān)控電動機(jī)電流實(shí)現(xiàn)工件夾緊力的數(shù)控調(diào)整。夾緊時，卡爪快速接觸到工件表面后停止運(yùn)動，夾緊電動機(jī)處于短時過載狀態(tài)，輸出很大的扭矩從而夾緊工件。

實(shí)際使用時，通過控制電動機(jī)正反轉(zhuǎn)和減速機(jī)構(gòu)使卡爪夾緊和松開，解決了手動卡盤精度低、操作不便、缺乏安全的隱患，實(shí)際制造價格不高，在原有普通卡盤上加上驅(qū)動和機(jī)械裝置即可。

(2)夾緊力自適應(yīng)測量控制系統(tǒng)

為保證夾緊力的安全可靠，實(shí)現(xiàn)夾緊力的自動調(diào)整，需要研制出一個滿足不同材料、不同直徑、不同壁厚、不同切削用量要求的夾緊力自適應(yīng)測量控制系統(tǒng)。首先，將實(shí)心的工件按直徑大小分為若干系列并求出級差、空心的工件按當(dāng)量壁厚分為若干系列并求出當(dāng)量級差，分別測量不同類型、不同直徑和材料的工件夾緊時的徑向變形量，然后計(jì)算出允許的最大變形量和夾緊力，找到夾緊力與變形之間的關(guān)系，再轉(zhuǎn)換成輸入力矩與徑向變形量之間的關(guān)系，基本原理如圖2 所示。將變形與夾緊力的關(guān)系通過控制程序建立夾緊力數(shù)控系統(tǒng)，用于控制夾緊過程。

夾緊過程中，通過測量變形-夾緊力-數(shù)控程序-控制、調(diào)整電流繼電器的動作電流，實(shí)現(xiàn)工件的夾緊和松開，還可實(shí)現(xiàn)工件夾緊力的調(diào)整，解決了現(xiàn)有液壓卡盤的壓力控制裝置存在只提供單級壓力控制、液壓卡盤對工件只能產(chǎn)生單一的夾持力的局限，提高了車床使用效率和工件加工的效率。

5 靜態(tài)夾緊力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

靜態(tài)夾緊力與動態(tài)夾緊力是不一樣的，卡盤高速旋轉(zhuǎn)時，由于離心力的作用，夾緊力降低。由于卡盤的滑動部件多，磨擦力復(fù)雜，而且經(jīng)常變化，因此夾緊力的正確值是計(jì)算不出的。本文通過改變輸入力矩M測量工件變形，再換算得出卡盤產(chǎn)生的夾緊力。如表1 所示，為直徑20 mm 的45 號鋼棒料在250 mm 盤的卡盤上試驗(yàn)得的夾緊力與輸入力矩的對應(yīng)值，由表1可知各種輸入力矩和夾緊力的關(guān)系。

表1 夾緊力與輸入力矩對應(yīng)值

6 關(guān)鍵問題

將手動三爪卡盤改造為可自動控制的三爪卡盤，通過在三爪卡盤加裝驅(qū)動裝置和減速機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與原有卡盤體的較好結(jié)合，且結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，能達(dá)到較大的增力比，工作穩(wěn)定可靠，符合生產(chǎn)要求，同時又利用了企業(yè)現(xiàn)有資源，不會帶來過多的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和可行性。但是，在具體設(shè)計(jì)制造的過程中需要注意以下幾點(diǎn):

(1)夾持不同工件時，夾緊力的確定是關(guān)鍵，也是難題。夾緊工件時，卡爪快速接觸到工件表面后停止運(yùn)動，夾緊電動機(jī)處于短時過載狀態(tài)，輸出很大的扭矩夾緊工件，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(jì)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。

(2)由于電動機(jī)轉(zhuǎn)子的慣性力，使機(jī)床在突然高速反轉(zhuǎn)時卡爪有自動松開的可能，需要在控制系統(tǒng)中增設(shè)反轉(zhuǎn)補(bǔ)償值，通過程序控制增加夾緊力度，確保主軸反轉(zhuǎn)時的夾緊安全。

(3)具有減速機(jī)構(gòu)的三爪自定心卡盤的設(shè)計(jì)與加工是保證自動卡盤能否順利實(shí)現(xiàn)夾緊的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)過程中，本著以實(shí)際情況出發(fā)為原則，做到盡量能夠利用現(xiàn)有的設(shè)備及工裝輔具，故此，電動卡盤與主軸的連接參數(shù)均應(yīng)符合手動三爪卡盤的國家標(biāo)準(zhǔn)。

7 結(jié)語

電動三爪卡盤由機(jī)電驅(qū)動系統(tǒng)組成，是集機(jī)電為一體的產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，使用220 V 交流供電，適用于各種大中小企業(yè)的設(shè)備改造。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。在低成本取得高效益的前提下，達(dá)到方便、安全可靠的效果。隨著人們對機(jī)床自動化率要求越來越高，自動卡盤逐漸取代手動卡盤，數(shù)控夾緊力自適應(yīng)卡盤將得到廣泛的應(yīng)用。

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