動力卡盤試驗機的設計

張愛華，張志英，阮啟偉

（南京數控機床有限公司，江蘇南京 211100）

0 引言

目前在數控機床中，作為關鍵功能部件之一的動力卡盤是被廣泛使用的工件夾緊系統，實現了自動夾緊，降低了輔助夾緊時間，已普遍地被認為是機床的一部分。動力卡盤的功能越來越先進，結構越來越復雜，發生故障的可能環節也越來越多。動力卡盤工作的可靠性受到越來越大的挑戰，高速旋轉的工件可能會因為各種原因甩出動力卡盤，對操作人員和機床—刀具—工件系統造成巨大傷害。因此，設計開發一種動力卡盤試驗機，對動力卡盤的各種安全性、可靠性進行試驗，系統分析和研究動力卡盤失效形式，優化動力卡盤的設計，具有十分重要的意義。本試驗機是為動力卡盤的試驗而設計的專用設備，適合于直徑在φ110～φ400規格以內的卡盤進行試驗，試驗項目可包括卡盤精度、夾緊力、極限轉速等。

1 總體設計

1.1 整體結構

本試驗機由底座工作臺、第一主軸箱、第二主軸箱、安全防護罩、液壓裝置、操縱控制臺、激光位移傳感器等主要部件組成。總體結構簡圖見圖1，動力卡盤試驗機實物見圖2。

1.2 主要部件結構

a）底座工作臺

底座工作臺為鋼板整體焊接成型，型腔布局科學合理，充分考慮到設備的受力狀況及熱變形等因素，具有剛度高、抗振性好等特點。工作臺前端有測試平臺以便測試裝置安裝。

圖1 總體結構簡圖

圖2 動力卡盤試驗機實物

b）第一主軸箱

第一主軸箱通過螺釘固定在底座工作臺上方右側，由主電動機輸入的運動通過三角皮帶傳至主軸。主軸的轉速通過與主軸同步運轉的SIEMENS編碼器監視。主軸頭部凸緣規格GB5900.1-1997-A28［1］，并配有主軸過渡接盤A28→A211和A28→A26。主軸組裝配前經過嚴格的動平衡試驗，因此，主軸運轉平穩，回轉精度高，振動小。主軸前、后軸承均選用德國FAG的主軸軸承［2］，采用預加負荷安裝，并配有長效潤滑脂，其潤滑性能好，使用時間長，使用期內不需要更換。第一主軸箱結構簡圖見圖3。

圖3 第一主軸箱結構簡圖

c）第二主軸箱

第二主軸箱通過螺釘固定在底座工作臺上方左側，主軸采用電主軸結構。該結構把主軸作為主電動機的轉子、主電動機定子部分裝在主軸箱體內。主軸頭部為GB5900.1-1997-A25，并配有過渡盤A25→A26和 A25→A24。由于電主軸在運行過程中必須對主軸的運行溫度進行控制，因此電主軸外接一套水溫控制系統，型號為MCW-25CR精密水冷卻機［3］。使用水作為冷卻介質，但在水中必須添加防腐劑，比例為1∶3，冷卻水設定控制溫度20℃。當水溫超過23℃或低于17℃時，水溫控制機會自動進行制冷或加熱。冷卻水流量≥80L/min，最大工作壓力700kPa。主軸轉速通過裝在主軸上的角度編碼器ERM280［4］（德國 HEIDENHAIN）反饋。第二主軸箱結構簡圖見圖4，第一和第二主軸箱實物見圖5。

圖4 第二主軸箱結構簡圖

圖5 第一和第二主軸箱實物

d）安全防護罩

安全防護罩為優質冷軋鋼板整體焊接成型，工作區內設計為雙層安全結構，外觀簡潔大方，獨立安裝在地基上并與底座工作臺之間無連接，極大降低工作時產生的振動，同時便于運輸及安裝。

e）液壓系統

液壓系統分供油和控制兩部分。所用的主要液壓元件見表1，液壓原理見圖6。

表1 主要液壓元件

圖6 液壓原理圖

1）系統供油部分

液壓系統的壓力油是由位于設備后側的液壓油箱（圖7）提供的，箱蓋上安裝有電動機、液壓泵及油管。油箱有效容積約為63L，采用HV32液壓油。正常工作溫度為30℃ ～50℃。當油溫＞55℃或＜–10℃時應采取措施降溫或升溫。油位可以從油標觀察，換油時先擰下箱底油塞放掉陳油，再打開箱蓋上的氣蓋注入新油。

液壓泵采用限壓式變量葉片泵，由電動機驅動。液壓系統工作壓力出廠前已調至4.5MPa～5MPa，可以從系統壓力表上檢測。在拆洗或更換液壓件時，需停機并打開卸荷，將系統內暫存的壓力油泄回油箱，以防噴射污染環境。液壓系統配有專用油冷卻機。

圖7 液壓泵站

2）控制部分

控制部分由工件夾緊（松開）控制裝置組成。

液壓元件基本上集中安裝于液壓油箱上的液壓分配板上（圖8）。減壓閥7和二位四通換向閥8（控制卡爪夾緊）、壓力繼電器9、系統壓力表、卡盤油缸壓力表。系統中的過濾器是用作過濾系統供給的壓力油，其過濾精度為10 μm。

表2 主要技術參數

圖8 液壓分配板

f）操縱控制臺

操縱控制臺（即電柜）在防護罩右側并與其連接成一體，根據人體工程學原理設計，機床操作控制件集中安裝，布局合理，操作方便。操作面板見圖9，電柜內部布局見圖10。

圖9 操作面板

圖10 電柜內部布局

g）激光位移傳感器

激光位移傳感器選用日本基恩士LHK022K，通過安裝支架固定在工作臺前端測試平臺上。激光位移傳感器見圖11。

圖11 激光位移傳感器

2 主要技術參數（表2）

主軸前軸承直徑 110mm主軸轉速范圍 25～4500r/min主電動機功率 9kw主軸過渡接盤 A28→A211/A26第二主軸（電主軸）主軸通孔直徑 42mm主軸凸緣規格 GB5900.1-1997-A25主軸前軸承直徑 85mm主軸轉速范圍 25～8000r/min主電動機功率 7.5kw主軸過渡接盤 A25→A26/A24

3 控制系統

本試驗機CNC控制系統采用SIEMENS 802D sl系統。試驗機主要包括主機、液壓泵站和電氣控制柜三部分。第一主軸采用SIEMENS 1PH7107交流伺服主電動機傳動，通過一組高效窄形三角帶將動力直接傳給主軸，主軸轉速為無級變速。第二主軸采用SIEMENS 1PH2093電主軸傳動，主軸即為主電動機的轉子，主軸轉速為無級變速。試驗機電氣原理圖見圖12。

圖12 試驗機電氣原理圖

4 安全保護功能

1）所有防護板厚度均＞5mm。

2）具備卡盤動平衡超差產生振動后自動停機的保護措施。

3）具備回轉油缸出現失效抱死情況時電源及油管切斷的保護措施。

4）具備突然斷電情況時液壓系統短時間保壓的保護措施。

5 結語

該試驗機的研制，解決了動力卡盤對其精度、夾緊力、極限轉速等項目的試驗需求。用戶投入使用后，運轉正常，工作穩定，精度可靠，操作調試方便，機床的性能得到了較好的發揮，完全滿足了動力卡盤試驗機的設計要求。

［1］國家標準，機床主軸端部與花盤互換性尺寸［M］.北京:中國標準出版社，2009.

［2］FAG滾動軸承.FAG中國有限公司，2002.

［3］同飛制冷綜合樣本.同飛制冷設備有限公司，2011.

［4］HEIDENHAIN角度編碼器.海德漢（中國）有限公司，2003.