梁建和，陳偉珍，梁小流

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學院，廣西南寧530023）

夾緊力自適應(yīng)三爪卡盤機械傳動系統(tǒng)設(shè)計

梁建和，陳偉珍，梁小流

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學院，廣西南寧530023）

研究在現(xiàn)有普通三爪卡盤基礎(chǔ)上進行經(jīng)濟型自動化改造，已成為再制造工程中機床數(shù)控化改造的熱點內(nèi)容。通過對普通三爪卡盤自動化改造過程中經(jīng)常遇到的是否保留端面螺紋傳動副、電機及減速器如何布置、如何將電機及減速器與卡盤有效隔離等問題作方案選擇分析，詳細分析論證所設(shè)計夾緊裝置的可靠性，完成端面螺紋傳動副實時調(diào)整夾緊力所需動力的計算及傳動系統(tǒng)設(shè)計計算。

機床改造；夾緊力；自動卡盤

在普通車床的數(shù)控化改造中，主要是對進給系統(tǒng)和刀架進行改造，對卡盤的改造很少有人去關(guān)心。但是，眾所周知，車削加工的工件裝夾所花時間也不少；另外，不能實現(xiàn)工件的自動化裝夾，必然會大大影響車床的自動化程度，制約普通機床數(shù)控化改造的應(yīng)用。因此，把卡盤的改造列入普通車床數(shù)控化改造的范疇是很有必要的。然而，簡單地把現(xiàn)有的自動卡盤拿來配上，將增加成本使改造失去經(jīng)濟性，因而降低市場競爭力，最終限制其推廣應(yīng)用。于是，研究在現(xiàn)有普通三爪卡盤基礎(chǔ)上進行經(jīng)濟型自動化改造，已成為再制造工程中機床數(shù)控化改造的熱點內(nèi)容。

為此，啟動了“夾緊力自適應(yīng)三爪卡盤研制”項目。該項目的夾緊力自適應(yīng)專家系統(tǒng)和電控系統(tǒng)已另文介紹，這里只介紹其機械系統(tǒng)的設(shè)計。

1　三爪卡盤本體的設(shè)計制作方案選擇

（1）是采用現(xiàn)有人工操作卡盤改造還是全部重新設(shè)計制作?，F(xiàn)有人工操作卡盤經(jīng)過長時間使用改進，已在可靠性、耐久性、經(jīng)濟性、結(jié)構(gòu)合理性等方面得到驗證，因此，采用現(xiàn)有人工操作卡盤加以改造，必然減少很多麻煩，縮短研制周期。但是，這樣一來，把卡盤夾緊的動力直接布置在卡盤內(nèi)部是非常困難的。因此，本項目采用改造現(xiàn)有人工操作卡盤，夾緊的動力布置在卡盤外部的方案。

（2）是輸入直線運動還是輸入旋轉(zhuǎn)運動。夾緊動力從外部傳輸?shù)娇ūP內(nèi)有輸入直線運動和輸入旋轉(zhuǎn)運動兩種辦法，輸入直線運動，是在卡盤內(nèi)腔通過錐面或四桿機構(gòu)等機械裝置把運動的方向改變九十度，實現(xiàn)軸向的移動變成夾爪的徑向移動。這個方案需要把電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，無論是采用齒輪齒條還是采用氣壓傳動或者液壓傳動，都會使機械傳動系統(tǒng)復雜化，建議優(yōu)先考慮保留端面螺紋傳動副直接輸入旋轉(zhuǎn)運動的方案。

（3）電機及減速器布置。直接把電機及減速器布置在車床主軸的后端是很困難的，通常是把電機及減速器布置在遠離車床主軸后端的床頭箱頂或車床地座上，再通過帶傳動把動力傳到車床主軸后端，然后穿過主軸內(nèi)孔把動力傳到卡盤內(nèi)腔。由于本項目的卡盤是為提高數(shù)控車床的效率而設(shè)計的，又因為數(shù)控車床的數(shù)控系統(tǒng)大多數(shù)已經(jīng)占用床頭箱頂?shù)目臻g，因此，優(yōu)先考慮把電機及減速器布置在車床底座上的方案。

（4）動力隔離方案。要使夾緊力能夠自適應(yīng)，除需要根據(jù)工件情況確定和控制夾緊力的大小外，還需要在加工過程中實時監(jiān)控夾緊力的變化，必要時進行實時調(diào)整夾緊力。這樣一來，如果不將動力有效隔離，電機就會被卡盤帶動反轉(zhuǎn)而降低電機及減速器的壽命。因此，必須將電機及減速器與卡盤有效隔離。隔離的方法主要有電磁離合器法和超越離合器法兩種。電磁離合器法的優(yōu)點是工作可靠，其缺點是結(jié)構(gòu)復雜并需要配備專門的控制裝置。故本項目優(yōu)先考慮采用超越離合器法。

2　夾緊裝置可靠性分析

采用超越離合器隔離動力，有一個令人擔憂的問題，這就是是否會因為傳動裝置的慣性和摩擦阻力的存在導致夾緊力自動減少而松開工件。為解決這個問題，有必要對夾緊機構(gòu)有無可能自動松爪的問題作詳細分析。

（1）夾緊或放松的實現(xiàn)。采用現(xiàn)有人工操作三爪卡盤改造成自動卡盤的工作原理如圖1所示。車床主軸2通過驅(qū)動法蘭1帶動卡盤體7旋轉(zhuǎn)，從而帶動夾爪10及工件實現(xiàn)工作旋轉(zhuǎn)?？刂齐姍C的動力用現(xiàn)有人工操作三爪卡盤改造成自動卡盤的工作原理如圖1所示。車床主軸2通過驅(qū)動法蘭1帶動卡盤體7旋轉(zhuǎn)，從而帶動夾爪10及工件實現(xiàn)工作旋轉(zhuǎn)?？刂齐姍C的動力通過減速器和帶傳動（圖中未畫出），驅(qū)動傳動軸3，傳動軸3通過鍵傳動驅(qū)動端齒盤6，在端齒盤6的前端面開有與夾爪10相嚙合的端面矩形螺紋，這就形成端面矩形螺紋傳動副，其功能是把端齒盤6的旋轉(zhuǎn)運動改變?yōu)閵A爪10的徑向移動。由此，達到控制電機的正反轉(zhuǎn)使端齒盤隨之正反轉(zhuǎn)，通過端面矩形螺紋傳動副驅(qū)動夾爪10徑向地往內(nèi)或往外移動，實現(xiàn)對工件的夾緊或放松的控制。

圖1　自動卡盤的工作原理

（2）逆?zhèn)鲃拥姆治?。這里的逆?zhèn)鲃邮蔷椭笍目ūP體7驅(qū)動夾爪10的轉(zhuǎn)動而言的，是否有可能出現(xiàn)夾爪10的主動徑向移動使端齒盤6及傳動軸3旋轉(zhuǎn)的情況，如果出現(xiàn)這種情況就會因切削工作的影響產(chǎn)生自動松爪，這是絕對不允許的。是否有自動松爪的可能，關(guān)鍵是在夾爪10作為主動件轉(zhuǎn)動的時候有沒有可能同時發(fā)生徑向移動現(xiàn)象。這里實際上歸結(jié)為端面矩形螺紋傳動副是否可以逆?zhèn)?、自鎖是否可靠的問題。

端面矩形螺紋副的受力情況見圖2，為了便于分析，這里采用單齒端面矩形螺紋。拿夾爪作為研究對象，假定作用在夾爪（螺母）上的夾緊力F集中作用于中徑的圓周上的一點（嚙合點），反力N垂直于嚙合點切線，切線的傾斜度稱為螺旋升角。為清晰起見，把受力分析圖移到外部畫出，如圖3所示。相當于滑塊（夾爪螺母）在斜面上，斜面傾角λ為螺紋升角。當夾爪螺母有松退移動時，則相當于滑塊在載荷（夾緊力）F作用下沿斜面下滑，則摩擦力摩擦力Ff向上。作用于夾爪螺母的力有：外載荷F、螺紋斜面法向反力N和摩擦力Ff=fN（f為摩擦系數(shù)）。法向反力N和摩擦力Ff的合力R是在夾緊力F作用下端齒盤對夾爪螺母的總反力，F(xiàn)t是R的水平力分力，R和N的夾角稱為摩擦角，用ρ表示。這時，總反力R和外載荷F的夾角為（λ-ρ）。由圖3（b）所示的力封閉三角形可知:

式中：Ft為驅(qū)動夾爪螺母轉(zhuǎn)動的圓周力；F為驅(qū)動螺母移動的徑向力；λ為螺紋升角，λ=arctan（S/πd），S為螺紋傳動的螺距，d為螺紋直徑；ρ為螺紋傳動的摩擦角，ρ=arctan f，f為摩擦系數(shù)。

圖2　端面矩形螺紋受力圖

圖3　螺紋傳動副松退受力分析

由此可見，若λ＜ρ，則Ft為負值，這就表明只要滿足條件：（λ＜ρ），則無論軸向載荷F有多大，滑塊（相當于夾爪螺母）都不會在其作用下自行下滑（相當于夾爪螺母徑向外移松退），這種情況稱為自鎖。

金屬之間的摩擦系數(shù)最低也有f=0.07，即有最小摩擦角ρ為4°.又因：

這就是金屬螺紋的螺距與直徑的自鎖條件。

本項目采用的卡盤的端面螺紋S=8、d=100～150，

完全滿足S/d＜0.22的自鎖條件。

3　動力計算

3.1端齒盤驅(qū)動力矩Mp與夾緊力的關(guān)系

首先要作螺紋傳動副擰緊受力分析。相似于螺紋傳動副松退受力分析，只是因為夾緊是夾爪往里移動，相當于滑塊往上滑，故摩擦力的方向是往上的。如圖4所示。斜面傾角λ為螺紋升角。此時作用于螺母的力有：外載荷F、螺桿斜面法向反力N和摩擦力Ff=fN，法向反力N和摩擦力Ff的合力R，R的水平力分力Ft，R和N的夾角ρ稱為摩擦角。這時總反力R和外載荷F的夾角為（λ+ρ）。由圖4（b）所示的力封閉三角形可知

式中各符合含義同式（1），ρ為螺紋傳動的摩擦角，這里取ρ=4°.又

圖4　螺紋傳動副松退受力分析

對于端面矩形螺紋，外載荷F是徑向力，也就是夾緊力，本項目采用SK-8普通三爪卡盤進行改造，最大夾緊力為36 kN；使夾爪螺母轉(zhuǎn)動的力矩為

將d/2=125÷2=62.5，F(xiàn)=36 kN，ρ=4°，λ=1.17°

代入得

3.2傳動比計算

設(shè)從電機到端齒盤的機械傳動的帶傳動比為id、減速箱傳動比為ix，于是有

Md≥Mp/（id×ix）id≥Mp÷（ix×Md）

根據(jù)位置安裝空間和市場供應(yīng)情況，驅(qū)動電機采用SM 110-060-30LFB，額定力矩為Md=6 Nm；采用渦輪蝸桿減速箱的傳動比為1：20.代入得

id≥6÷（20×205）=1.46

取帶傳動的傳動比為id=2.

4　結(jié)束語

本設(shè)計有如下特點：

（1）保留了車床主軸中心通孔，便于實現(xiàn)自動送料；

（2）將車床主軸的工作轉(zhuǎn)動隔離于卡盤之后，避免了帶傳動和減速箱的不必要旋轉(zhuǎn)，大大提高了傳動裝置的壽命；

（3）帶傳動和渦輪蝸桿減速箱，都是市場上可以買到的成熟零部件，具有簡單、可靠、經(jīng)濟的優(yōu)點。

[1]楊湘洪.三爪卡盤的靜力改造[J].機械工程師，2003，（12）：73-74.

[2]劉棣中.普通三爪卡盤改造為電動卡盤[J].裝備制造技術(shù)，2007，（02）：84-86.

The Design of Clamping Force Adaptive Three Jaw Chuck Mechanical Transmission System

LIANG Jian-he，CHEN Wei-zhen，LIANG Xiao-liu
（Guangxi Vocatinal College of Water Resources and Electric Power，Nanning Guangxi 530023，China）

The research of automation eform of economy based on the existing common three jaw chuck，it has become a hot issue of CNC machine tools in the process of remanufacturing engineering.Through the automation of process often encountered in chuck with three jaws whether to retain the end thread gear，electric machine and reducer and how to plan，how to make analysis and selection scheme of motor and reducer and chuck effective isolation，reliability design of clamping device detailed analysis of the design calculation of complete end thread transmission real-time adjustment of clamping force required by the power and transmission system.

machine tool；clamping force；automatic chuck

TH122

A

1672-545X（2016）10-0005-03

2016-07-23

廣西教育廳科研《夾緊力自適應(yīng)數(shù)控三爪卡盤的研制》項目資助（項目編號：200911MS318）

梁建和（1955-），男，廣西南寧人，本科，教授，研究方向：機電一體化技術(shù)。