文 陳志森 江蘇金方圓數(shù)控機(jī)床有限公司

激光切管機(jī)主要用于切割常規(guī)管件和復(fù)雜形狀的型材，如工字鋼、L 形鋼等。傳統(tǒng)加工如鋸切、火焰切割、等離子切割因加工精度差，效率低，不能滿足管材加工要求。隨著工業(yè)的發(fā)展和自動(dòng)化要求的提高，全自動(dòng)數(shù)控激光切管機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，氣動(dòng)卡盤作為激光切管機(jī)的配套設(shè)備，是一種機(jī)械加工專用夾具，主要用于固定被加工的工件，以保證工件在激光切割過程中保持一定的位置和方向，實(shí)現(xiàn)精確加工。

氣動(dòng)卡盤結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，主要由驅(qū)動(dòng)部分、氣路部分和對(duì)中夾緊部分組成，工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)部分的電機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，使被夾持的工件可以在多個(gè)方向進(jìn)行加工，這種卡盤廣泛應(yīng)用于激光切管機(jī)，能影響切管機(jī)的加工效率和加工精度，是激光切管機(jī)的核心部件之一。氣動(dòng)卡盤拆分圖如圖2 所示，本文以通徑為225mm 的卡盤為例，設(shè)計(jì)一種激光切管機(jī)前置氣動(dòng)卡盤，卡盤可夾持尺寸為：正圓管直徑20 ～220mm、最小方管尺寸20mm×20mm、最大方管尺寸150mm×150mm、矩形管短邊尺寸大于20mm、外接圓直徑小于220mm。

圖1 氣動(dòng)卡盤結(jié)構(gòu)圖

圖2 氣動(dòng)卡盤拆分圖

卡盤技術(shù)參數(shù)計(jì)算

卡盤技術(shù)參數(shù)見表1，卡盤設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)見表2。

表1 卡盤技術(shù)參數(shù)

表2 卡盤設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

卡盤驅(qū)動(dòng)計(jì)算：

卡盤齒輪比：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

鋼管慣量：Jw=mr2=150×0.112/2=0.9075kg·m2

鋼管旋轉(zhuǎn)阻力力矩：Tf=mμr/2=150×0.1×0.11/2=0.825N·m

電機(jī)所需額定轉(zhuǎn)速：n電機(jī)=（n×Z2×i）/Z1=100×140×7/35=2800r/min

加速時(shí)電機(jī)所需扭矩：T=JLβ（i1×i）+Tf/（i1×i）=0.0075×47.7×（4×7）+0.825/（4×7）=10.047N·m

平穩(wěn)時(shí)電機(jī)所需扭矩：T=Tf/i×i1=0.825/7×4=0.471N·m

慣量匹配：JL/Jm=0.0075/0.0055 ≈1.364 ＞1

伺服電機(jī)額定扭矩大于平穩(wěn)時(shí)電機(jī)所需扭矩，最大扭矩大于加速時(shí)電機(jī)所需扭矩。

驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)

卡盤驅(qū)動(dòng)部分為伺服電機(jī)減速機(jī)齒輪傳動(dòng)，選擇小齒輪材料為45 鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度240HBW，大齒輪材料為40Cr 鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度280HBW。初選小齒輪齒數(shù)Z1=35，大齒輪齒數(shù)Z2=140，模數(shù)Mn=3mm，齒形角20°，齒寬系數(shù)推薦值d=0.8，齒輪按7級(jí)精度設(shè)計(jì)。

分度圓直徑：d1=Z1Mn=35×3=105mm；d2=Z2Mn=140×3=420mm

中心距：a=（d1+d2）/2=（105+420）/2=262.5mm

大齒輪結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 大齒輪結(jié)構(gòu)圖

氣路部分設(shè)計(jì)

氣動(dòng)卡盤氣缸與主軸圈旋轉(zhuǎn)部件一起進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，卡盤進(jìn)氣圖如圖4 所示。使用三個(gè)軸用旋轉(zhuǎn)斯特封隔開進(jìn)氣路和出氣路。定氣環(huán)與底座連接固定不動(dòng)，動(dòng)氣環(huán)與交叉滾子軸承內(nèi)圈連接，隨大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。定氣環(huán)外圈加工兩道半圓槽，動(dòng)氣環(huán)內(nèi)圈加工三道密封圈安裝槽和兩道半圓槽，間隔排列。定氣環(huán)與動(dòng)氣環(huán)同軸安裝，兩環(huán)內(nèi)半圓槽貼合形成氣路。

圖4 卡盤進(jìn)氣圖

當(dāng)氣源接通時(shí)定氣環(huán)進(jìn)氣口開始進(jìn)氣，密封槽內(nèi)密封圈受壓形成密封腔，氣體通過動(dòng)氣環(huán)進(jìn)入主軸圈出氣通道，通過管接頭氣管連接氣缸，使氣缸動(dòng)作。

對(duì)中夾緊設(shè)計(jì)

對(duì)中夾緊使用齒環(huán)齒輪結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。氣缸帶動(dòng)齒環(huán)進(jìn)行角度旋轉(zhuǎn)，齒環(huán)與雙聯(lián)齒輪嚙合，雙聯(lián)齒輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)齒條進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，齒條上安裝卡爪，卡爪隨齒條進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，完成卡盤夾緊松開動(dòng)作。

圖5 對(duì)中夾緊結(jié)構(gòu)圖

結(jié)束語

市面上卡盤以氣缸直推為主，主要在進(jìn)氣方式和對(duì)中夾緊結(jié)構(gòu)存在差異，進(jìn)氣方式分斯特封、格萊圈進(jìn)氣和特殊密封圈進(jìn)氣，對(duì)中夾緊機(jī)構(gòu)有齒環(huán)齒輪式、連桿式和鏈條式等，方式不同但各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)卡盤為斯特封進(jìn)氣，齒環(huán)齒輪對(duì)中。卡盤性能由傳動(dòng)結(jié)構(gòu)原理決定，傳動(dòng)層級(jí)越多對(duì)精度影響越大，齒輪式卡盤的優(yōu)點(diǎn)在于傳動(dòng)比穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠壽命長，夾緊工件出力均勻。缺點(diǎn)是潤滑和防護(hù)要做好，防止異物進(jìn)入造成齒輪磨損。