动力卡盘试验机的设计

张爱华，张志英，阮启伟

（南京数控机床有限公司，江苏南京 211100）

0 引言

目前在数控机床中，作为关键功能部件之一的动力卡盘是被广泛使用的工件夹紧系统，实现了自动夹紧，降低了辅助夹紧时间，已普遍地被认为是机床的一部分。动力卡盘的功能越来越先进，结构越来越复杂，发生故障的可能环节也越来越多。动力卡盘工作的可靠性受到越来越大的挑战，高速旋转的工件可能会因为各种原因甩出动力卡盘，对操作人员和机床—刀具—工件系统造成巨大伤害。因此，设计开发一种动力卡盘试验机，对动力卡盘的各种安全性、可靠性进行试验，系统分析和研究动力卡盘失效形式，优化动力卡盘的设计，具有十分重要的意义。本试验机是为动力卡盘的试验而设计的专用设备，适合于直径在φ110～φ400规格以内的卡盘进行试验，试验项目可包括卡盘精度、夹紧力、极限转速等。

1 总体设计

1.1 整体结构

本试验机由底座工作台、第一主轴箱、第二主轴箱、安全防护罩、液压装置、操纵控制台、激光位移传感器等主要部件组成。总体结构简图见图1，动力卡盘试验机实物见图2。

1.2 主要部件结构

a）底座工作台

底座工作台为钢板整体焊接成型，型腔布局科学合理，充分考虑到设备的受力状况及热变形等因素，具有刚度高、抗振性好等特点。工作台前端有测试平台以便测试装置安装。

图1 总体结构简图

图2 动力卡盘试验机实物

b）第一主轴箱

第一主轴箱通过螺钉固定在底座工作台上方右侧，由主电动机输入的运动通过三角皮带传至主轴。主轴的转速通过与主轴同步运转的SIEMENS编码器监视。主轴头部凸缘规格GB5900.1-1997-A28［1］，并配有主轴过渡接盘A28→A211和A28→A26。主轴组装配前经过严格的动平衡试验，因此，主轴运转平稳，回转精度高，振动小。主轴前、后轴承均选用德国FAG的主轴轴承［2］，采用预加负荷安装，并配有长效润滑脂，其润滑性能好，使用时间长，使用期内不需要更换。第一主轴箱结构简图见图3。

图3 第一主轴箱结构简图

c）第二主轴箱

第二主轴箱通过螺钉固定在底座工作台上方左侧，主轴采用电主轴结构。该结构把主轴作为主电动机的转子、主电动机定子部分装在主轴箱体内。主轴头部为GB5900.1-1997-A25，并配有过渡盘A25→A26和 A25→A24。由于电主轴在运行过程中必须对主轴的运行温度进行控制，因此电主轴外接一套水温控制系统，型号为MCW-25CR精密水冷却机［3］。使用水作为冷却介质，但在水中必须添加防腐剂，比例为1∶3，冷却水设定控制温度20℃。当水温超过23℃或低于17℃时，水温控制机会自动进行制冷或加热。冷却水流量≥80L/min，最大工作压力700kPa。主轴转速通过装在主轴上的角度编码器ERM280［4］（德国 HEIDENHAIN）反馈。第二主轴箱结构简图见图4，第一和第二主轴箱实物见图5。

图4 第二主轴箱结构简图

图5 第一和第二主轴箱实物

d）安全防护罩

安全防护罩为优质冷轧钢板整体焊接成型，工作区内设计为双层安全结构，外观简洁大方，独立安装在地基上并与底座工作台之间无连接，极大降低工作时产生的振动，同时便于运输及安装。

e）液压系统

液压系统分供油和控制两部分。所用的主要液压元件见表1，液压原理见图6。

表1 主要液压元件

图6 液压原理图

1）系统供油部分

液压系统的压力油是由位于设备后侧的液压油箱（图7）提供的，箱盖上安装有电动机、液压泵及油管。油箱有效容积约为63L，采用HV32液压油。正常工作温度为30℃ ～50℃。当油温＞55℃或＜–10℃时应采取措施降温或升温。油位可以从油标观察，换油时先拧下箱底油塞放掉陈油，再打开箱盖上的气盖注入新油。

液压泵采用限压式变量叶片泵，由电动机驱动。液压系统工作压力出厂前已调至4.5MPa～5MPa，可以从系统压力表上检测。在拆洗或更换液压件时，需停机并打开卸荷，将系统内暂存的压力油泄回油箱，以防喷射污染环境。液压系统配有专用油冷却机。

图7 液压泵站

2）控制部分

控制部分由工件夹紧（松开）控制装置组成。

液压元件基本上集中安装于液压油箱上的液压分配板上（图8）。减压阀7和二位四通换向阀8（控制卡爪夹紧）、压力继电器9、系统压力表、卡盘油缸压力表。系统中的过滤器是用作过滤系统供给的压力油，其过滤精度为10 μm。

表2 主要技术参数

图8 液压分配板

f）操纵控制台

操纵控制台（即电柜）在防护罩右侧并与其连接成一体，根据人体工程学原理设计，机床操作控制件集中安装，布局合理，操作方便。操作面板见图9，电柜内部布局见图10。

图9 操作面板

图10 电柜内部布局

g）激光位移传感器

激光位移传感器选用日本基恩士LHK022K，通过安装支架固定在工作台前端测试平台上。激光位移传感器见图11。

图11 激光位移传感器

2 主要技术参数（表2）

主轴前轴承直径 110mm主轴转速范围 25～4500r/min主电动机功率 9kw主轴过渡接盘 A28→A211/A26第二主轴（电主轴）主轴通孔直径 42mm主轴凸缘规格 GB5900.1-1997-A25主轴前轴承直径 85mm主轴转速范围 25～8000r/min主电动机功率 7.5kw主轴过渡接盘 A25→A26/A24

3 控制系统

本试验机CNC控制系统采用SIEMENS 802D sl系统。试验机主要包括主机、液压泵站和电气控制柜三部分。第一主轴采用SIEMENS 1PH7107交流伺服主电动机传动，通过一组高效窄形三角带将动力直接传给主轴，主轴转速为无级变速。第二主轴采用SIEMENS 1PH2093电主轴传动，主轴即为主电动机的转子，主轴转速为无级变速。试验机电气原理图见图12。

图12 试验机电气原理图

4 安全保护功能

1）所有防护板厚度均＞5mm。

2）具备卡盘动平衡超差产生振动后自动停机的保护措施。

3）具备回转油缸出现失效抱死情况时电源及油管切断的保护措施。

4）具备突然断电情况时液压系统短时间保压的保护措施。

5 结语

该试验机的研制，解决了动力卡盘对其精度、夹紧力、极限转速等项目的试验需求。用户投入使用后，运转正常，工作稳定，精度可靠，操作调试方便，机床的性能得到了较好的发挥，完全满足了动力卡盘试验机的设计要求。

［1］国家标准，机床主轴端部与花盘互换性尺寸［M］.北京:中国标准出版社，2009.

［2］FAG滚动轴承.FAG中国有限公司，2002.

［3］同飞制冷综合样本.同飞制冷设备有限公司，2011.

［4］HEIDENHAIN角度编码器.海德汉（中国）有限公司，2003.