一種激光切管機氣動卡盤設計

文 陳志森 江蘇金方圓數控機床有限公司

激光切管機主要用于切割常規管件和復雜形狀的型材，如工字鋼、L 形鋼等。傳統加工如鋸切、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。隨著工業的發展和自動化要求的提高，全自動數控激光切管機應運而生，氣動卡盤作為激光切管機的配套設備，是一種機械加工專用夾具，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，實現精確加工。

氣動卡盤結構圖如圖1 所示，主要由驅動部分、氣路部分和對中夾緊部分組成，工作時，驅動部分的電機帶動齒輪旋轉，使被夾持的工件可以在多個方向進行加工，這種卡盤廣泛應用于激光切管機，能影響切管機的加工效率和加工精度，是激光切管機的核心部件之一。氣動卡盤拆分圖如圖2 所示，本文以通徑為225mm 的卡盤為例，設計一種激光切管機前置氣動卡盤，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 氣動卡盤結構圖

圖2 氣動卡盤拆分圖

卡盤技術參數計算

卡盤技術參數見表1，卡盤設計輸入參數見表2。

表1 卡盤技術參數

表2 卡盤設計輸入參數

卡盤驅動計算：

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

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

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

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

平穩時電機所需扭矩：T=Tf/i×i1=0.825/7×4=0.471N·m

慣量匹配：JL/Jm=0.0075/0.0055 ≈1.364 ＞1

伺服電機額定扭矩大于平穩時電機所需扭矩，最大扭矩大于加速時電機所需扭矩。

驅動部分設計

卡盤驅動部分為伺服電機減速機齒輪傳動，選擇小齒輪材料為45 鋼（調質），齒面硬度240HBW，大齒輪材料為40Cr 鋼（調質），齒面硬度280HBW。初選小齒輪齒數Z1=35，大齒輪齒數Z2=140，模數Mn=3mm，齒形角20°，齒寬系數推薦值d=0.8，齒輪按7級精度設計。

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

大齒輪結構如圖3 所示。

圖3 大齒輪結構圖

氣路部分設計

氣動卡盤氣缸與主軸圈旋轉部件一起進行旋轉運動，卡盤進氣圖如圖4 所示。使用三個軸用旋轉斯特封隔開進氣路和出氣路。定氣環與底座連接固定不動，動氣環與交叉滾子軸承內圈連接，隨大齒輪轉動。定氣環外圈加工兩道半圓槽，動氣環內圈加工三道密封圈安裝槽和兩道半圓槽，間隔排列。定氣環與動氣環同軸安裝，兩環內半圓槽貼合形成氣路。

圖4 卡盤進氣圖

當氣源接通時定氣環進氣口開始進氣，密封槽內密封圈受壓形成密封腔，氣體通過動氣環進入主軸圈出氣通道，通過管接頭氣管連接氣缸，使氣缸動作。

對中夾緊設計

對中夾緊使用齒環齒輪結構，如圖5 所示。氣缸帶動齒環進行角度旋轉，齒環與雙聯齒輪嚙合，雙聯齒輪旋轉驅動齒條進行往復運動，齒條上安裝卡爪，卡爪隨齒條進行直線運動，完成卡盤夾緊松開動作。

圖5 對中夾緊結構圖

結束語

市面上卡盤以氣缸直推為主，主要在進氣方式和對中夾緊結構存在差異，進氣方式分斯特封、格萊圈進氣和特殊密封圈進氣，對中夾緊機構有齒環齒輪式、連桿式和鏈條式等，方式不同但各有優缺點。本文設計卡盤為斯特封進氣，齒環齒輪對中?？ūP性能由傳動結構原理決定，傳動層級越多對精度影響越大，齒輪式卡盤的優點在于傳動比穩定，結構緊湊，工作可靠壽命長，夾緊工件出力均勻。缺點是潤滑和防護要做好，防止異物進入造成齒輪磨損。