大孔径气动卡盘的研制.pdf

第 9期 2 0 1 1年 9月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o dul a r M a c hi ne To o l＆ Aut o m a t i c M a n uf ac t ur i ng Te c h ni qu e N0 ． 9 Se p．2 01 1 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 1 1 1 0 0 8 3 0 2 大孔径气动卡盘的研制 李 国华 天津中德职业技术学院 机械工程系， 天津 3 0 0 3 5 0 摘要 依据气压传动原理， 研制 了一种用于具有主轴定位功能的大型 C N C车床 配套的大孔径气动三 爪 自动定心卡盘。不同于国内现有气动卡盘 ， 新研制 的大孔径气动卡盘体 为环形， 卡盘体 内设有创 新 设计 的 夹紧力调 整装 置 和 卡 爪 夹 紧位 置 传 感 装 置 ， 卡爪 快 进 和 慢 进 双 程 驱 动 。其 夹 紧 力调 整 装 置、 卡爪夹紧位置传感装置和卡爪双程驱动均为机械 结构， 性能可靠， 调整便捷。文中详细论述 了大 孔径 气动 卡盘 主要 的设 计创 新 点、 关键 部位 的 结构设 计制 造要 点 。 关键 词 大孔 径 气动卡 盘 ； 调 整装 置 ； 夹 紧位 置信 号 中图分 类号 T H1 6； T G 6 5 文献 标 识码 A St r u c t u r a l De s i g n o f t he La r g e Ap e r t ur e Pn e u m a t i c Chuc k LI GU O ． hu a T i a n j i n S i n o G e r me n V o c a t i o n a l C o l l e g e D e p a r t me n t o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T i a n j i n 3 0 0 3 5 0， C h i n a Abs t r a c t I n t h i s pa pe r ，t h e s t r u c t u r a l d e s i g n o f l a r g e a p e r t u r e p n e u ma t i c c hu c k i s t a k e n a s t he r e s e a r c h o b j e c t ．T h e l a r g e d i a me t e r v i a a t t h e c e n t e r o f c h u c k i s d e s i g n e d t o c l a mp i n g t h r e e j a w s e l f c e n t e r i n g c h u c k，wh i c h i s a pp l i e d t o t he m i dd l el a r g e s i z e CNC l a t h e wi t h s pi nd l e po s i t i o n i n g f u n c t i on．The po s i t i on s e n s i n g d e v i c e，s e t t i n g d e v i c e o f c l a mp i n g a n d r a pi d f e e d a nd wo r k i n g f e e d d r i v e r o f c l a w a r e p l a c e d a t t h e i n s i de o f pn e uma t i c c h uc k．Th e i n no v a t i v e d e s i g n e d d e v i c e wi t h a n n ul a r s t r u c t u r e h a s ma n y a d v a n t a g e s s u c h a s s i mp l e s t r u c t u r e ， f a s t a n d r e l i a b l e c l a mp i n g a s w e l l a s c o n v e n i e n t a d j u s t me n t o f c l a mp i n g f o r c e．Th e t h e s i s i l l us t r a t e s t h e wo r k i ng p r i n c i p l e o f l a r g e a p e r t u r e p ne u m a t i c c hu c k a n d ke y p a r t s o f t h e s t r u c t u r e a n d d e s i g n e l e me n t s ． Ke y wo r d sl a r g e a p e r t u r e p n e u ma t i c c h u c k；p r e s s u r e s e ns i n g d e v i c e；p o s i t i o n s e ns i n g d e v i c e O 引 言 目前我 国是世界上最大 的石油 套管生产 国， 热 轧无缝钢管 的最大直径达 7 2 0 mm， 但 国内尚无 与大 型数控车床配套的 自动装夹大孔径气动卡盘。新研 制的大孔径气动卡盘 的中心为大直径通孔 ， 以便 于 大 口径钢管通过 ， 卡盘体内设有夹紧力调整装置 ， 直 接检测夹紧气缸 内的压力 ， 通过旋转设 在卡盘外端 面的压力调整螺栓可便捷 精确地调整 ， 为装夹薄壁 管材提供合适的夹紧力。为进一步确保装夹 的可靠 性 ， 防止卡爪在夹紧行程 中卡死或其 它原因产生 的 卡爪没有到达夹 紧位 置 ， 卡盘体 内还设 有卡爪位置 传感装置。当卡盘夹紧工件后由设在卡盘体 内的压 力传感装置和卡爪夹 紧位置传感装置发 出信号后 ， 外部气源切断 ， 卡盘才 能转动 。由于设 置 了双重传 感装置， 所 以卡盘 工作性 能十分 可靠。因为夹 紧力 调整装置在卡盘体内， 所 以外部气路简单 ， 工作压力 的范 围为 2～1 0 b a r 。现 已完 成设 计 和试 制 ， 测 试 性 能达标并取得实用新型专利。 1 大孔径气 动卡盘的整体 结构 简图 1 所示 为大孔径气动卡盘整体结构示意简 图， 卡盘由前端的卡盘体、 后端的气缸体和中心的导套 封闭， 卡爪座沿卡盘体上的矩形导轨可做径向移动 ， 三 爪推套内孔与导套外 圆配合 ， 其前端上三个均布的矩 形斜槽分别与三个卡爪座上的斜导轨配合 ， 后端连接 活塞 ， 封闭环将气缸封闭 ， 三爪导套起活塞杆作用并驱 动卡爪。压缩空气 由配气环气管 1 经卡盘体内的换向 收稿 日期 2 0 1 1 0 71 2 ； 修 回日期 2 0 1 1 0 8 0 5 作者简介 李 国华 1 9 5 3 一 ， 男 ， 天津人 ， 中德职业 技术 学院机 械工程 系高级 实验 师， 主要 从事 机械设 计与 制造 的教学 与科研 工作 ， E ma i l l g h z d p x 1 2 6 ． c o rn。 8 4 组合机 床 与 自动化 加 工技术 第 9期 阀进入有气室， 活塞带动三爪导套后移 ， 导套带动卡爪 做 向心夹 紧运 动 。当夹 紧气 室 内 的气 压达 到 设 定 压 力． 压力传感器通过位于机床上的接近开关发出信号， 气 源进气阀关 闭后 ， 夹 紧气 室 内的空 气 的压力 推动 封 闭阀将气室封 闭。卡 盘工 作期 间与 外部 气源 隔 断 ， 夹 紧力 由封闭气室内压缩空气提供。松开时压缩空气由 配 气环气管 2进入 卡盘体 内的气路 推动换 向阀进 入左 气室， 同时打开有气室封闭阀排气 ， 活塞前移， 导套带 动卡爪做离心松 开运动 。 程楔 块 图 1整体 结构示意图 2 夹紧 力调整装置 的结构设计 创新设计的夹紧力调整装置 以保证卡盘在装夹 薄壁 管 时有合 适 的夹 紧 力 ， 压 力 调 整 螺 栓 在 卡 盘外 端面， 信号传感盘在卡盘尾端 ， 整体在卡盘体 内 图 2 ， 具有夹 紧力 调整和夹 紧后发 出信号 双重功 能。 夹 紧 气室 的 压缩 空气 通 过 卡盘 内部 气 路通 向压 力气 缸 推动 压力 活 塞 压 缩 弹 簧 前 移 ， 当位 于 连接 活 塞 的 压 力信 号杆 尾 端 的信 号 盘 触 发 接 近 开 关 时 ， 气 动 系 统 停 止供 气 ， 主轴 允 许 转 动 。旋 转 压 力调 整 螺 栓 可 调整压簧的预压缩量 ， 从而控制夹紧气室压力达到 调 整 夹 紧力 目的 。测 试 时 在卡 盘 上预 留的测 试 螺 孔 连接气 压 表 ， 旋 转 压 力 测 试 螺 栓 将 测 得 的 压 力 值 相 应刻 在卡 盘端 面 上 ， 然 后 取 下 压 力 表 用 封 头 螺 钉 将 测试 孑 L 封 死 以方 便 加 工 。 由于压 力 直接 取 自夹 紧气 室 ， 较调气动系统供气压力更为可靠且调整便捷 。 图 2 夹紧位置传感器示意图 弹簧 调整螺栓 螺栓 3 卡爪位置信 号传装 置的结构设计 创新设计的卡爪位置信号传感装置 图 3 用 以 保证 卡盘 夹 紧 的可 靠 性 ， 防 止 在 夹 紧 过 程 中 由于 卡 爪卡死或装夹不正等原 因引起 的虽然夹紧气压 已达 到设定值 ， 而实际卡爪没有移动到夹紧位置而未将 工件夹紧。卡爪位置信号杆前部为倾斜的 T型头与 装 配 在 卡 爪 座 内 的行 程 楔 块 的 倾 斜 T型 槽 滑 动 配 合 ， 信号杆 贯穿 卡 盘 ， 尾 部 装 有信 号 盘 。 当卡爪 座 径 向移 动 时 ， 行程 楔块 带 动位 置 信 号杆 做 轴 向移 动 ， 当 信 号杆移 动 到 夹 紧 位 置 时 ， 信 号 盘 触 发 接 近 开 关 发 出信号确认 卡爪处 于夹紧状态 ， 主轴允许转动。因 为 三爪 为机械联 动结 构 ， 故 只设 置一 根 位 置信 号 杆 。 为 便于 制造 ， 行 程楔 块 与卡爪 座设计 为分体 。 图 3调 整 力 调 整 结 构 示 意 图 4 双程卡爪驱动结构设计 创新设计的卡爪的双程驱动使卡爪的运动行程 分 为快 速行 程 和慢 速 行 程 以实 现 即夹 紧时 平 稳 无 冲击 ， 又 可保 证 卡 爪 有 合 适 的行 程 的 前 提 下 尽 量 缩 短夹紧时间 ， 双程驱动功能完全 由机械结构实现 图 4 ， 其结构简单 ， 性能更为可靠。 在 三爪导 套前 凸缘 上 开有 三 等分 带 有 两 种 与卡 盘 中心线 夹 角分别 为 a和 b不 同 的四段 斜 面矩 形 槽 与卡爪座斜伸导轨 四段斜面配合 ， C 、 d斜面角度相同 为 b ， e x f 角度相 同为 a ， 分别 驱动 卡爪 的四段 行程 快 进 一慢 进 一慢退 一快退 。快 进 由 d面驱 动 ， 慢 进 由 ．厂 面驱动 ， 慢退 由 e面驱 动 ， 快 退 由 C面 驱 动 。三爪 推 套的行程和移动速度与卡爪座行程及移动速度的 比 例系数是正切角度值 ， 角度与卡爪的移动速度、 行程 成正 比， 与夹紧力成反 比。为获得较大的夹紧力 ， 所 以慢速行程斜角 a不宜设计过大 ， 推荐值 1 0 。 左右。 快速行程导轨的倾斜角度为 b ， 推荐值为 4 0 。 左右 ， 卡 爪的快速 和慢 速 的 比值为 t g b ／ t g a 。例如 b取 4 0 。 ， a取 1 0 。 ， 则 4 ． 9 3 ， 快速是慢速近 5倍速度 ， 是 合适的快慢速 比例。快慢速行程 比例可 以通过 a 、 b 斜面长度 比例分配。 下转第 8 8页 8 8 组合 机床 与 自动化加 工技 术 第 9期 u n s i g n e d c h a r Q； } D I F U； ／ 上升沿检测功能块 的数据结构的定义 ／ i n t DI FU _ f DI F U DI F US { i f D I F U S一I N D I F U S一M { D I F U S一Q 1 } e l s e { DI F US一Q 0 DI FUS 一 M DI FUS 一 I N r e t u r n 0； } 在 逻辑 程序 最终 生成 目标 逻辑 组 件 时 只需 调 用 函数传递实参 即可 ， 这种 函数调 用的方式 省略了编 译 过程 中每 次遇 到 功能 块 和功 能都 要 执行 一次 编 译 步 骤 ， 在多个 功 能块 和 功 能存 在 的 指令 表程 序 中 大 大 节约 了编 译 过 程 中所 花 销 的时 间 ， 提 高 了 编译 的 效 率 。 3 目标逻辑组件 软 P L C运行系统需要运行 目标代码 ， 才能完成 对外部设备的控制， 因此 ， 目标代码作为编程系统和 运 行系 统 的桥梁 ， 是软 P L C中必不 可少 的一 部分 。 为 了实现系统的通用性， 将源程序转换为标 准 的 C程 序 ， 从而 能够 在不 同 的操作 系 统 上进 行 移植 。 目标代 码 与 P L C所 用 的 C P U 指 令 系 统 类 型 相 关 。 目前 ， C N C中使用的通用型 C P U是 X 8 6系统 ， 因此 ， 本系统 的 目标代 码基 于 X 8 6的指令 系 统 而设 计 。在 本系统 中 ， 利用 集成 到数控 系统 中 的 G C C编译 器 ， 通 过系 统 自动调 用 脚 本 ， 将 已经 生成 的 目标语 言 c语 言程序在线编译生成 目标逻辑组件 ， 即目标代码 ， 以 供运 行环 境 调 用 执 行 。运 行 系 统 不 需 重 新 编 译 内 核 ， 只需 动态加 载并 执 行新 的逻 辑组 件 即 可 ， 从 而 提 高 了操作 的灵 活性 和系统 的执行 效率 。 4 结束语 本文 提 出的软 P L C编译技 术通 过对 标 准指 令 表 词法归类和语法规则 的分析 ， 借助于成熟的编译前 端工 具 ， 并 设 计 出 一 个 简 单 的 且 逻 辑 清 晰 的 抽 象语 法树 结构 ， 实现 了从标 准指 令 表到 C语 言 的转 换 ， 而 功能块和功能等辅助函数的设计简化了整个编译过 程。由于标准 c程序 的通用性使得该编译技术具有 较 强的可 移植性 ， 通 过 l i n u x系 统环 境 中 的 编译 器 直 接生 成可 执行 内核 模 块 ， 提 高 了编译 速 度 和 执 行 效 率 。 [ 参考文献] [ 1 ]高进 ， 秦付军．解 释型软 P L C编译系统设计 [ J ] ．机 电工 程技术 ， 2 0 1 0， 3 9 6 9 6 9 9 ， [ 2 ]K a r l - H e i n z J o h n m，Mi c h a e l T i e g e l k a mp ．I E C 6 1 1 3 13 ． P r o g r - a m mi n g I n d u s t r i a l A u t o ma t i o n S y s t e ms[ M] ．G e r m a n yS p r i n g e r Ve r l a g Co mp a ny，2 0 0 1． [ 3 ]罗伯特 杉布 ， 王蔚庭 ．I E C 6 1 1 3 1 3国 际标 准简介 [ J ] ． 国 内外机电一体化技术 ， 2 0 0 1 1 81 4 ． [ 4 ]K a r l H e i n z J o Hn ， Mi c h a e l T i e g e l K a mp ．I E C 6 1 1 3 1 3_T业 自 动化系统的程序编制．中国机电一体化技术应 用协会秘 书处翻译 ， 2 0 0 2 ． [ 5 ]E d o u a r d T i s s e r a n t ，L a u r e n t B e s s a r d ，Ma r i o d e S o u s a ．A n Op e n S o ur c e I EC61 1 31 3 I nt e g r a t e d De v e l o pme n t En v i r o n - me r i t 『 A] ．I nI EE E I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I n I n d u s t r i a l I n f o r m a t i c s [ C] ， 2 0 0 7 ． [ 6 ]蒋立源 ，康慕 宁．编译原理 [ M] ．西安 西北工业大 学出 版社 ， 2 0 0 8 ． [ 7 ]J o h n R，L e v i n e ，T o n y Ma s o n ，D o u g B r o w n ．L e x与 Y a c c [ M] ．北京 机械工业出版社， 2 0 0 3 ． 编辑赵蓉 上 接 第 8 4页 ＼ 图 4 卡爪双导程结构示意图 5 结束语 大孔径气动卡盘 的生产在 国内是空 白， 是石油 套管生产 加工企业 的大型数 控车床 必备 的附属设 备， 有广大的应用前景。卡盘的密封性能要求较高， 因为所有功 能性结构均密封在卡盘体 内， 卡盘体尺 寸结 构较大 ， 所 以对 卡盘 关 键部 位 的材料 及 热 处理 、 加工精度和表面质量较一般气动卡盘的要求高。 [ 参考 文献 ] [ 1 ]沈建．斜齿滑块式手动卡盘的结构特点和性能分析 [ J ] ． 组 合机 床与 自动化加工技术 ， 2 0 0 3 1 1 7 3 7 4 ． [ 2 ]沈建．气 动动力卡盘 的结构 、 性能 和应 用 [ J ] ．组合机床 与 自动化加工技术 ， 2 0 0 4 1 1 8 28 3 ． [ 3 ]许福玲 ， 陈晓明．液压与气压 传动 [ M] ．北京 机械工业 出版社 ． 2 0 0 4 ． [ 4 ]张玉莲．一种 气动 卡盘夹 紧机构 的设计 [ J ] ．机械研 究 与应用， 2 0 0 7 4 9 0 9 1 ． 编辑李秀敏