張愛華，張志英，阮啟偉

（南京數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇南京 211100）

0 引言

目前在數(shù)控機(jī)床中，作為關(guān)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(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動夾緊，降低了輔助夾緊時間，已普遍地被認(rèn)為是機(jī)床的一部分。動力卡盤的功能越來越先進(jìn)，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，發(fā)生故障的可能環(huán)節(jié)也越來越多。動力卡盤工作的可靠性受到越來越大的挑戰(zhàn)，高速旋轉(zhuǎn)的工件可能會因?yàn)楦鞣N原因甩出動力卡盤，對操作人員和機(jī)床—刀具—工件系統(tǒng)造成巨大傷害。因此，設(shè)計開發(fā)一種動力卡盤試驗(yàn)機(jī)，對動力卡盤的各種安全性、可靠性進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)分析和研究動力卡盤失效形式，優(yōu)化動力卡盤的設(shè)計，具有十分重要的意義。本試驗(yàn)機(jī)是為動力卡盤的試驗(yàn)而設(shè)計的專用設(shè)備，適合于直徑在φ110～φ400規(guī)格以內(nèi)的卡盤進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)項目可包括卡盤精度、夾緊力、極限轉(zhuǎn)速等。

1 總體設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)

本試驗(yàn)機(jī)由底座工作臺、第一主軸箱、第二主軸箱、安全防護(hù)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(jié)構(gòu)簡圖見圖1，動力卡盤試驗(yàn)機(jī)實(shí)物見圖2。

1.2 主要部件結(jié)構(gòu)

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(xué)合理，充分考慮到設(shè)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(diǎn)。工作臺前端有測試平臺以便測試裝置安裝。

圖1 總體結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 動力卡盤試驗(yàn)機(jī)實(shí)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(cè)，由主電動機(jī)輸入的運(yùn)動通過三角皮帶傳至主軸。主軸的轉(zhuǎn)速通過與主軸同步運(yùn)轉(zhuǎn)的SIEMENS編碼器監(jiān)視。主軸頭部凸緣規(guī)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(jīng)過嚴(yán)格的動平衡試驗(yàn)，因此，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，回轉(zhuǎn)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(yù)加負(fù)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(nèi)不需要更換。第一主軸箱結(jié)構(gòu)簡圖見圖3。

圖3 第一主軸箱結(jié)構(gòu)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(cè)，主軸采用電主軸結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)把主軸作為主電動機(jī)的轉(zhuǎn)子、主電動機(jī)定子部分裝在主軸箱體內(nèi)。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(yùn)行過程中必須對主軸的運(yùn)行溫度進(jìn)行控制，因此電主軸外接一套水溫控制系統(tǒng)，型號為MCW-25CR精密水冷卻機(jī)［3］。使用水作為冷卻介質(zhì)，但在水中必須添加防腐劑，比例為1∶3，冷卻水設(shè)定控制溫度20℃。當(dāng)水溫超過23℃或低于17℃時，水溫控制機(jī)會自動進(jìn)行制冷或加熱。冷卻水流量≥80L/min，最大工作壓力700kPa。主軸轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡圖見圖4，第一和第二主軸箱實(shí)物見圖5。

圖4 第二主軸箱結(jié)構(gòu)簡圖

圖5 第一和第二主軸箱實(shí)物

d）安全防護(hù)罩

安全防護(hù)罩為優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板整體焊接成型，工作區(qū)內(nèi)設(shè)計為雙層安全結(jié)構(gòu)，外觀簡潔大方，獨(dú)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(chǎn)生的振動，同時便于運(yùn)輸及安裝。

e）液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)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(tǒng)供油部分

液壓系統(tǒng)的壓力油是由位于設(shè)備后側(cè)的液壓油箱（圖7）提供的，箱蓋上安裝有電動機(jī)、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(dāng)油溫＞55℃或＜–10℃時應(yīng)采取措施降溫或升溫。油位可以從油標(biāo)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(jī)驅(qū)動。液壓系統(tǒng)工作壓力出廠前已調(diào)至4.5MPa～5MPa，可以從系統(tǒng)壓力表上檢測。在拆洗或更換液壓件時，需停機(jī)并打開卸荷，將系統(tǒng)內(nèi)暫存的壓力油泄回油箱，以防噴射污染環(huán)境。液壓系統(tǒng)配有專用油冷卻機(jī)。

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(tǒng)壓力表、卡盤油缸壓力表。系統(tǒng)中的過濾器是用作過濾系統(tǒng)供給的壓力油，其過濾精度為10 μm。

表2 主要技術(shù)參數(shù)

圖8 液壓分配板

f）操縱控制臺

操縱控制臺（即電柜）在防護(hù)罩右側(cè)并與其連接成一體，根據(jù)人體工程學(xué)原理設(shè)計，機(jī)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(nèi)部布局見圖10。

圖9 操作面板

圖10 電柜內(nèi)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(shù)參數(shù)（表2）

主軸前軸承直徑 110mm主軸轉(zhuǎn)速范圍 25～4500r/min主電動機(jī)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(guī)格 GB5900.1-1997-A25主軸前軸承直徑 85mm主軸轉(zhuǎn)速范圍 25～8000r/min主電動機(jī)功率 7.5kw主軸過渡接盤 A25→A26/A24

3 控制系統(tǒng)

本試驗(yàn)機(jī)CNC控制系統(tǒng)采用SIEMENS 802D sl系統(tǒng)。試驗(yàn)機(jī)主要包括主機(jī)、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(jī)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(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)子，主軸轉(zhuǎn)速為無級變速。試驗(yàn)機(jī)電氣原理圖見圖12。

圖12 試驗(yàn)機(jī)電氣原理圖

4 安全保護(hù)功能

1）所有防護(hù)板厚度均＞5mm。

2）具備卡盤動平衡超差產(chǎn)生振動后自動停機(jī)的保護(hù)措施。

3）具備回轉(zhuǎn)油缸出現(xiàn)失效抱死情況時電源及油管切斷的保護(hù)措施。

4）具備突然斷電情況時液壓系統(tǒng)短時間保壓的保護(hù)措施。

5 結(jié)語

該試驗(yàn)機(jī)的研制，解決了動力卡盤對其精度、夾緊力、極限轉(zhuǎn)速等項目的試驗(yàn)需求。用戶投入使用后，運(yùn)轉(zhuǎn)正常，工作穩(wěn)定，精度可靠，操作調(diào)試方便，機(jī)床的性能得到了較好的發(fā)揮，完全滿足了動力卡盤試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計要求。

［1］國家標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)床主軸端部與花盤互換性尺寸［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備有限公司，2011.

［4］HEIDENHAIN角度編碼器.海德漢（中國）有限公司，2003.