一种激光切管机气动卡盘设计

文 陈志森 江苏金方圆数控机床有限公司

激光切管机主要用于切割常规管件和复杂形状的型材，如工字钢、L 形钢等。传统加工如锯切、火焰切割、等离子切割因加工精度差，效率低，不能满足管材加工要求。随着工业的发展和自动化要求的提高，全自动数控激光切管机应运而生，气动卡盘作为激光切管机的配套设备，是一种机械加工专用夹具，主要用于固定被加工的工件，以保证工件在激光切割过程中保持一定的位置和方向，实现精确加工。

气动卡盘结构图如图1 所示，主要由驱动部分、气路部分和对中夹紧部分组成，工作时，驱动部分的电机带动齿轮旋转，使被夹持的工件可以在多个方向进行加工，这种卡盘广泛应用于激光切管机，能影响切管机的加工效率和加工精度，是激光切管机的核心部件之一。气动卡盘拆分图如图2 所示，本文以通径为225mm 的卡盘为例，设计一种激光切管机前置气动卡盘，卡盘可夹持尺寸为：正圆管直径20 ～220mm、最小方管尺寸20mm×20mm、最大方管尺寸150mm×150mm、矩形管短边尺寸大于20mm、外接圆直径小于220mm。

图1 气动卡盘结构图

图2 气动卡盘拆分图

卡盘技术参数计算

卡盘技术参数见表1，卡盘设计输入参数见表2。

表1 卡盘技术参数

表2 卡盘设计输入参数

卡盘驱动计算：

卡盘齿轮比：i1=Z2/Z1=140/35=4

角速度：ω=2πn/60=2×3.14×100/60 ≈10.5rad/s

角加速度：β=ω/t=10.5/0.22 ≈47.7rad/s2

钢管惯量：Jw=mr2=150×0.112/2=0.9075kg·m2

钢管旋转阻力力矩：Tf=mμr/2=150×0.1×0.11/2=0.825N·m

电机所需额定转速：n电机=（n×Z2×i）/Z1=100×140×7/35=2800r/min

加速时电机所需扭矩：T=JLβ（i1×i）+Tf/（i1×i）=0.0075×47.7×（4×7）+0.825/（4×7）=10.047N·m

平稳时电机所需扭矩：T=Tf/i×i1=0.825/7×4=0.471N·m

惯量匹配：JL/Jm=0.0075/0.0055 ≈1.364 ＞1

伺服电机额定扭矩大于平稳时电机所需扭矩，最大扭矩大于加速时电机所需扭矩。

驱动部分设计

卡盘驱动部分为伺服电机减速机齿轮传动，选择小齿轮材料为45 钢（调质），齿面硬度240HBW，大齿轮材料为40Cr 钢（调质），齿面硬度280HBW。初选小齿轮齿数Z1=35，大齿轮齿数Z2=140，模数Mn=3mm，齿形角20°，齿宽系数推荐值d=0.8，齿轮按7级精度设计。

分度圆直径：d1=Z1Mn=35×3=105mm；d2=Z2Mn=140×3=420mm

中心距：a=（d1+d2）/2=（105+420）/2=262.5mm

大齿轮结构如图3 所示。

图3 大齿轮结构图

气路部分设计

气动卡盘气缸与主轴圈旋转部件一起进行旋转运动，卡盘进气图如图4 所示。使用三个轴用旋转斯特封隔开进气路和出气路。定气环与底座连接固定不动，动气环与交叉滚子轴承内圈连接，随大齿轮转动。定气环外圈加工两道半圆槽，动气环内圈加工三道密封圈安装槽和两道半圆槽，间隔排列。定气环与动气环同轴安装，两环内半圆槽贴合形成气路。

图4 卡盘进气图

当气源接通时定气环进气口开始进气，密封槽内密封圈受压形成密封腔，气体通过动气环进入主轴圈出气通道，通过管接头气管连接气缸，使气缸动作。

对中夹紧设计

对中夹紧使用齿环齿轮结构，如图5 所示。气缸带动齿环进行角度旋转，齿环与双联齿轮啮合，双联齿轮旋转驱动齿条进行往复运动，齿条上安装卡爪，卡爪随齿条进行直线运动，完成卡盘夹紧松开动作。

图5 对中夹紧结构图

结束语

市面上卡盘以气缸直推为主，主要在进气方式和对中夹紧结构存在差异，进气方式分斯特封、格莱圈进气和特殊密封圈进气，对中夹紧机构有齿环齿轮式、连杆式和链条式等，方式不同但各有优缺点。本文设计卡盘为斯特封进气，齿环齿轮对中。卡盘性能由传动结构原理决定，传动层级越多对精度影响越大，齿轮式卡盘的优点在于传动比稳定，结构紧凑，工作可靠寿命长，夹紧工件出力均匀。缺点是润滑和防护要做好，防止异物进入造成齿轮磨损。