夹紧力自适应数控三爪卡盘的研制*

陈炳森 梁建和

(广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023)

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，而忽视了机床附件和其他功能的数控化改造，虽然也可以购买配套的自动三爪卡盘，但是，目前车床用自动三爪卡盘只是自动夹紧，却很少有自动控制夹紧力的，更谈不上适应加工需要控制夹紧力了，这就大大提高了对机床操作者的要求、降低了生产率。因此，如何在投资少、时间短的基础上将原有普通手动三爪卡盘改造为自动、夹紧力可适应加工需要的工件夹持工具，以降低对机床操作者的要求和提高生产率，受到业内人员的广泛关注。

1 普通机床经济型数控化改造的必要性

在发达国家中，机床的数控化率已达25%以上，而我国是世界制造大国，金属切削机床拥有量在300万台以上，这些机床大多数是使用多年的普通机床，自动化程度低，数控化率约3%，使用不方便。要想在近期内全部用自动和精密设备代替现有的设备，无论是资金还是机床制造的水平都无法达到。因此，老设备数控化改造具有广阔市场。对学校教育来说，足够的数控设备是保证学生实践教学的基础，在资金有限的情况下，对普通设备进行数控化改造不失为一条改善教学条件的有效途径。同时，旧设备的改造属于机床再制造，充分利用了资源，保护了生态环境，符合当下节能环保的时代主题，顺应了我国“十二五”时期大力发展再制造业的战略目标。

2 现有三爪卡盘存在的问题

传统的机床如车床、铣床上三爪卡盘的工作一般依靠工人用手工进行夹紧，不但增加了工人的劳动强度，而且所需夹紧力有非常大的也有较小的，还常常有夹不紧或夹坏工件的情况发生，制约了生产率的提高。

随着机械加工行业发展，自动卡盘的需求量加大。但现有的自动卡盘大都为气动或液压，电动卡盘缺乏，且夹紧力不能适应加工要求。目前，国内外生产的气动或液压三爪卡盘，其结构均为1 个执行缸驱动3 个卡爪同时夹紧，起到自定心装夹工件作用。从机械结构上看，卡盘的3 个卡爪具有相同功能，但是经过仔细检测，3 个卡爪装夹工件的精度并不一样，相差也较大，工件中心很难与主轴回转中心同轴。即使调整得比较精确，由于工件自身夹持面的偏差，当切削力较大时，夹持力也很难保证，不能进行大进给量的切削，甚至造成废品或发生事故，制约了气动或液压卡盘的应用。另外，夹紧力过大还会使工件的变形过大，甚至导致加工后的工件变形量超出图样要求。如何实现提高加工效率的同时，又能保证加工精度、控制工件变形，已成为一个非常重要且极具现实意义的工艺课题。

3 三爪卡盘改造的思路

常见的自动三爪卡盘有液压式和电动式两大类，如果将手动卡盘改为液压卡盘，由于中、高档卡盘及油缸价格较高，还要配备液压系统，使投资较大，且还不能满足夹紧力自动控制的要求。而且，液压传动方式对原有卡盘的改动较大，夹紧过程需要保持压力，使液压系统更为复杂。电动卡盘的优势在此就充分体现出来了，它既有自动卡盘的高效率，能适应自动化生产的需要，又有手动卡盘使用范围广泛、卡爪调整量大的优点。因此，开发数控夹紧力自适应三爪卡盘是企业提高生产率、降低成本、提升市场竞争力的有效途径。另外，作为机床改造，在原有机床没有液压系统的情况下，将手动三爪卡盘改造为电自动三爪卡盘，更为简单实用。

将普通三爪卡盘改造为数控自适应三爪卡盘，由力适应卡爪装置夹持功能单元、数控驱动装置动力功能单元、普通三爪卡盘体外壳等组成，利用步进电动机、伺服电动机便于数字控制和驱动力矩大的特点，使三爪卡盘具有夹紧力可适应加工需要、转速高、结构紧凑等优点，解决工件自动夹紧与夹紧力控制、夹紧力保持的矛盾，达到动作准确、运行平稳、安全可靠的目的，实现卡盘夹紧、松开和分度自动化控制，缩短装夹工件时间，解决手工操作效率低、精度差等问题。既能满足现代化生产自动化程度高、操作快捷的需要，又达到安全、节能的效果，将有助于改善生产环境和解放劳动生产力。

通过调查研究和大量实验形成夹紧力自适应控制系统，还可实现工件夹紧力根据工件的结构要素和材料要素、切削要素进行自动的调整，提高了车床使用效率和工件加工的效率，降低了废品率和对操作者的技术要求。

4 自适应三爪卡盘的设计

(1)基本组成

保留原有三爪卡盘螺旋盘带动卡爪实现工件的松开和夹紧这一套机构，在床头箱上安装一台步进电动机，通过皮带传动将电动机的运动传给传动轴，并将传动轴与三爪卡盘的螺旋盘联接，在结构、运动、安装、控制等方面进行实质性研制后得出三爪卡盘改造后的基本结构，如图1 所示。在床头箱上安装一台由数控系统驱动的电动机，通过机械传动带动卡爪夹紧工件，通过大量实验形成夹紧力自适应测量控制系统，通过监控电动机电流实现工件夹紧力的数控调整。夹紧时，卡爪快速接触到工件表面后停止运动，夹紧电动机处于短时过载状态，输出很大的扭矩从而夹紧工件。

实际使用时，通过控制电动机正反转和减速机构使卡爪夹紧和松开，解决了手动卡盘精度低、操作不便、缺乏安全的隐患，实际制造价格不高，在原有普通卡盘上加上驱动和机械装置即可。

(2)夹紧力自适应测量控制系统

为保证夹紧力的安全可靠，实现夹紧力的自动调整，需要研制出一个满足不同材料、不同直径、不同壁厚、不同切削用量要求的夹紧力自适应测量控制系统。首先，将实心的工件按直径大小分为若干系列并求出级差、空心的工件按当量壁厚分为若干系列并求出当量级差，分别测量不同类型、不同直径和材料的工件夹紧时的径向变形量，然后计算出允许的最大变形量和夹紧力，找到夹紧力与变形之间的关系，再转换成输入力矩与径向变形量之间的关系，基本原理如图2 所示。将变形与夹紧力的关系通过控制程序建立夹紧力数控系统，用于控制夹紧过程。

夹紧过程中，通过测量变形-夹紧力-数控程序-控制、调整电流继电器的动作电流，实现工件的夹紧和松开，还可实现工件夹紧力的调整，解决了现有液压卡盘的压力控制装置存在只提供单级压力控制、液压卡盘对工件只能产生单一的夹持力的局限，提高了车床使用效率和工件加工的效率。

5 静态夹紧力试验数据

静态夹紧力与动态夹紧力是不一样的，卡盘高速旋转时，由于离心力的作用，夹紧力降低。由于卡盘的滑动部件多，磨擦力复杂，而且经常变化，因此夹紧力的正确值是计算不出的。本文通过改变输入力矩M测量工件变形，再换算得出卡盘产生的夹紧力。如表1 所示，为直径20 mm 的45 号钢棒料在250 mm 盘的卡盘上试验得的夹紧力与输入力矩的对应值，由表1可知各种输入力矩和夹紧力的关系。

表1 夹紧力与输入力矩对应值

6 关键问题

将手动三爪卡盘改造为可自动控制的三爪卡盘，通过在三爪卡盘加装驱动装置和减速机构，实现与原有卡盘体的较好结合，且结构简单，工作可靠，能达到较大的增力比，工作稳定可靠，符合生产要求，同时又利用了企业现有资源，不会带来过多的经济负担，具有良好的经济性和可行性。但是，在具体设计制造的过程中需要注意以下几点:

(1)夹持不同工件时，夹紧力的确定是关键，也是难题。夹紧工件时，卡爪快速接触到工件表面后停止运动，夹紧电动机处于短时过载状态，输出很大的扭矩夹紧工件，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。

(2)由于电动机转子的惯性力，使机床在突然高速反转时卡爪有自动松开的可能，需要在控制系统中增设反转补偿值，通过程序控制增加夹紧力度，确保主轴反转时的夹紧安全。

(3)具有减速机构的三爪自定心卡盘的设计与加工是保证自动卡盘能否顺利实现夹紧的关键。在设计过程中，本着以实际情况出发为原则，做到尽量能够利用现有的设备及工装辅具，故此，电动卡盘与主轴的连接参数均应符合手动三爪卡盘的国家标准。

7 结语

电动三爪卡盘由机电驱动系统组成，是集机电为一体的产品，结构简单，操作方便，使用220 V 交流供电，适用于各种大中小企业的设备改造。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。在低成本取得高效益的前提下，达到方便、安全可靠的效果。随着人们对机床自动化率要求越来越高，自动卡盘逐渐取代手动卡盘，数控夹紧力自适应卡盘将得到广泛的应用。

［1］陶孟有，孙振水，陈铁军，等.三爪卡盘产生定心误差的原因及采取的方法［J］.煤矿机械，2003(7):50 -53.

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［4］刘棣中.普通三爪卡盘改造为电动卡盘［J］.装备制造技术，2007(2):84 -86.