夾緊力自適應數控三爪卡盤的研制*

陳炳森 梁建和

(廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530023)

在普通機床數控化改造的過程中，主要是進行機床進給裝置的數控化改造，而忽視了機床附件和其他功能的數控化改造，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，更談不上適應加工需要控制夾緊力了，這就大大提高了對機床操作者的要求、降低了生產率。因此，如何在投資少、時間短的基礎上將原有普通手動三爪卡盤改造為自動、夾緊力可適應加工需要的工件夾持工具，以降低對機床操作者的要求和提高生產率，受到業內人員的廣泛關注。

1 普通機床經濟型數控化改造的必要性

在發達國家中，機床的數控化率已達25%以上，而我國是世界制造大國，金屬切削機床擁有量在300萬臺以上，這些機床大多數是使用多年的普通機床，自動化程度低，數控化率約3%，使用不方便。要想在近期內全部用自動和精密設備代替現有的設備，無論是資金還是機床制造的水平都無法達到。因此，老設備數控化改造具有廣闊市場。對學校教育來說，足夠的數控設備是保證學生實踐教學的基礎，在資金有限的情況下，對普通設備進行數控化改造不失為一條改善教學條件的有效途徑。同時，舊設備的改造屬于機床再制造，充分利用了資源，保護了生態環境，符合當下節能環保的時代主題，順應了我國“十二五”時期大力發展再制造業的戰略目標。

2 現有三爪卡盤存在的問題

傳統的機床如車床、銑床上三爪卡盤的工作一般依靠工人用手工進行夾緊，不但增加了工人的勞動強度，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生，制約了生產率的提高。

隨著機械加工行業發展，自動卡盤的需求量加大。但現有的自動卡盤大都為氣動或液壓，電動卡盤缺乏，且夾緊力不能適應加工要求。目前，國內外生產的氣動或液壓三爪卡盤，其結構均為1 個執行缸驅動3 個卡爪同時夾緊，起到自定心裝夾工件作用。從機械結構上看，卡盤的3 個卡爪具有相同功能，但是經過仔細檢測，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中心同軸。即使調整得比較精確，由于工件自身夾持面的偏差，當切削力較大時，夾持力也很難保證，不能進行大進給量的切削，甚至造成廢品或發生事故，制約了氣動或液壓卡盤的應用。另外，夾緊力過大還會使工件的變形過大，甚至導致加工后的工件變形量超出圖樣要求。如何實現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實意義的工藝課題。

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，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，使液壓系統更為復雜。電動卡盤的優勢在此就充分體現出來了，它既有自動卡盤的高效率，能適應自動化生產的需要，又有手動卡盤使用范圍廣泛、卡爪調整量大的優點。因此，開發數控夾緊力自適應三爪卡盤是企業提高生產率、降低成本、提升市場競爭力的有效途徑。另外，作為機床改造，在原有機床沒有液壓系統的情況下，將手動三爪卡盤改造為電自動三爪卡盤，更為簡單實用。

將普通三爪卡盤改造為數控自適應三爪卡盤，由力適應卡爪裝置夾持功能單元、數控驅動裝置動力功能單元、普通三爪卡盤體外殼等組成，利用步進電動機、伺服電動機便于數字控制和驅動力矩大的特點，使三爪卡盤具有夾緊力可適應加工需要、轉速高、結構緊湊等優點，解決工件自動夾緊與夾緊力控制、夾緊力保持的矛盾，達到動作準確、運行平穩、安全可靠的目的，實現卡盤夾緊、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。既能滿足現代化生產自動化程度高、操作快捷的需要，又達到安全、節能的效果，將有助于改善生產環境和解放勞動生產力。

通過調查研究和大量實驗形成夾緊力自適應控制系統，還可實現工件夾緊力根據工件的結構要素和材料要素、切削要素進行自動的調整，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要求。

4 自適應三爪卡盤的設計

(1)基本組成

保留原有三爪卡盤螺旋盤帶動卡爪實現工件的松開和夾緊這一套機構，在床頭箱上安裝一臺步進電動機，通過皮帶傳動將電動機的運動傳給傳動軸，并將傳動軸與三爪卡盤的螺旋盤聯接，在結構、運動、安裝、控制等方面進行實質性研制后得出三爪卡盤改造后的基本結構，如圖1 所示。在床頭箱上安裝一臺由數控系統驅動的電動機，通過機械傳動帶動卡爪夾緊工件，通過大量實驗形成夾緊力自適應測量控制系統，通過監控電動機電流實現工件夾緊力的數控調整。夾緊時，卡爪快速接觸到工件表面后停止運動，夾緊電動機處于短時過載狀態，輸出很大的扭矩從而夾緊工件。

實際使用時，通過控制電動機正反轉和減速機構使卡爪夾緊和松開，解決了手動卡盤精度低、操作不便、缺乏安全的隱患，實際制造價格不高，在原有普通卡盤上加上驅動和機械裝置即可。

(2)夾緊力自適應測量控制系統

為保證夾緊力的安全可靠，實現夾緊力的自動調整，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測量控制系統。首先，將實心的工件按直徑大小分為若干系列并求出級差、空心的工件按當量壁厚分為若干系列并求出當量級差，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系，再轉換成輸入力矩與徑向變形量之間的關系，基本原理如圖2 所示。將變形與夾緊力的關系通過控制程序建立夾緊力數控系統，用于控制夾緊過程。

夾緊過程中，通過測量變形-夾緊力-數控程序-控制、調整電流繼電器的動作電流，實現工件的夾緊和松開，還可實現工件夾緊力的調整，解決了現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 靜態夾緊力試驗數據

靜態夾緊力與動態夾緊力是不一樣的，卡盤高速旋轉時，由于離心力的作用，夾緊力降低。由于卡盤的滑動部件多，磨擦力復雜，而且經常變化，因此夾緊力的正確值是計算不出的。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 盤的卡盤上試驗得的夾緊力與輸入力矩的對應值，由表1可知各種輸入力矩和夾緊力的關系。

表1 夾緊力與輸入力矩對應值

6 關鍵問題

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動裝置和減速機構，實現與原有卡盤體的較好結合，且結構簡單，工作可靠，能達到較大的增力比，工作穩定可靠，符合生產要求，同時又利用了企業現有資源，不會帶來過多的經濟負擔，具有良好的經濟性和可行性。但是，在具體設計制造的過程中需要注意以下幾點:

(1)夾持不同工件時，夾緊力的確定是關鍵，也是難題。夾緊工件時，卡爪快速接觸到工件表面后停止運動，夾緊電動機處于短時過載狀態，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關系，通過計算和試驗的方法可測定工件的夾緊力，并通過調整電流繼電器的動作電流實現工件夾緊力的調整。

(2)由于電動機轉子的慣性力，使機床在突然高速反轉時卡爪有自動松開的可能，需要在控制系統中增設反轉補償值，通過程序控制增加夾緊力度，確保主軸反轉時的夾緊安全。

(3)具有減速機構的三爪自定心卡盤的設計與加工是保證自動卡盤能否順利實現夾緊的關鍵。在設計過程中，本著以實際情況出發為原則，做到盡量能夠利用現有的設備及工裝輔具，故此，電動卡盤與主軸的連接參數均應符合手動三爪卡盤的國家標準。

7 結語

電動三爪卡盤由機電驅動系統組成，是集機電為一體的產品，結構簡單，操作方便，使用220 V 交流供電，適用于各種大中小企業的設備改造。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現自鎖等要求。在低成本取得高效益的前提下，達到方便、安全可靠的效果。隨著人們對機床自動化率要求越來越高，自動卡盤逐漸取代手動卡盤，數控夾緊力自適應卡盤將得到廣泛的應用。

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