数控车床手动卡盘改造为液压卡盘实例

概述

经济型和普及型数控车床，由于市场定位以及整机成本原因，出厂标准均配置为手动卡盘，把液压卡盘作为一个选购项，这样整机价格就不会太高，即满足了绝大多数客户的使用需求，又留下了改造升级的可能。当客户的产品需求发生变化，为提高效率，减少操作人员的劳动强度，就有必要把手动卡盘改造为液压卡盘。

液压传动的工作原理：是以油液作为工作介质，依靠密封容积的变化来传递运动，依靠油液内部的压力来传递动力。实际上液压传动装置是一种能量转换装置，它先将机械能转换为便于输送的液压能，然后又将液压能转换为机械能，以驱动工作机构完成所要求的各种动作。

液压卡盘就是利用液压传动工作原理的一种装置，其工作流程就是：由液压站油泵提供工作动力，液压油经过电磁换向阀，又连接至回转油缸，油缸又通过拉杆连接到卡盘，再利用电气系统或人工控制方式，控制电磁阀换向阀动作，从而控制油缸的伸缩，带动卡盘夹紧和松开。

液压卡盘的优点：

1. 夹持精度高，使用寿命长；
2. 夹持力大，夹持范围广；
3. 夹持力稳定可靠、可调大小；
4. 改善了传统卡盘夹持力小、力量不稳定的缺点；
5. 具有自动夹持，更安全，更方便；
6. 装夹工件快速，用时短；
7. 减轻工人的劳动强度，降低人力成本。

由上述诸多优点可知，液压卡盘改装后，只需要一个指令或者踩下脚踏开关即可快速实现卡盘夹紧、松开动作，大大缩短了工件的装夹时间，与普通手动卡盘装夹工件相比，至少提高60%效率，同时又降低了工人的劳动强度，还可实现一人多机操作，最终减少人工成本，为企业带来更好的经济效益。

本文以CAK4085数控车床手动卡盘改为N-208A6型8”中空液压卡盘为例。

液压卡盘系统的组成

由以下部分组成：

机械部分

测量主轴尺寸：

1. 测量主轴通孔长度为700mm；
2. 测量主轴尾部长度80mm，外径70m，孔径53mm，螺纹M72×2，螺纹长度30mm。

如下图所示：

测量主轴尺寸，主要是为制作回转油缸连接盘、拉杆提供完整的设计制造数据。

提示：主轴尺寸最好每台测量，曾遇到同一批次机床主轴尾部长短不一，螺距不同，导致做出的连接盘和拉杆不能使用。

回转油缸连接盘设计制作：

回转油缸连接尺寸（mm）

主轴尾部和回转油缸外形连接尺寸，就是连接盘的内部尺寸，以下图中5mm处为界，左边尺寸对应回转油缸连接尺寸，右边对应主轴尾部连接尺寸，如图：

制作的连接盘应光滑、平整、无毛刺，发黑处理。

中空拉杆设计制作：

中空拉杆长度计算公式：

A=主轴总长+安装好油缸连接盘+安装好卡盘连接盘

A= 700+（5.5+25+5）+17≈752

L=752+38.5≈790mm

由于主轴孔径为Ø 53，最终确定拉杆外径设计为Ø 50，内径Ø 40，见下图：

制作的拉杆应光滑、平整、无毛刺，发黑处理。

注意：拉杆的壁厚不得小于e Min值，当管壁太薄时，抗拉强度将大大减小，容易断裂，引起工件飞出，发生严重安全事故。以高位强度380Mpa（38kg/mm2）以上之材料来制作拉杆最佳。

转换螺母设计制作：

液压卡盘N-208A6和回转油缸M1552连接螺纹均为M60×2，拉杆直径为Ø 50，所以需要进行转换，拉杆才能连接卡盘和回转油缸，如图：

安装在回转油缸 安装在卡盘

安装与调试步骤：

1. 拆除主轴上的手动卡盘，并清理主轴端部，涂抹洁净的润滑油；
2. 在制作好的连接盘螺纹处涂抹润滑脂，主轴尾部螺纹处涂抹润滑脂；
3. 把油缸连接盘安装在主轴尾部拧紧，紧固顶丝；
4. 用百分表检查连接盘安装后的经向/轴向跳动，控制在最小范围以内；
5. 把30mm厚转换螺母内外螺纹涂抹润滑脂，安装在回转油缸；
6. 拉杆螺纹处涂抹润滑脂；
7. 把拉杆插入回转油缸旋紧；
8. 把安装好拉杆的回转油缸，使用吊具吊起，将拉杆从主轴尾部插入主轴孔，使回转油缸凸缘与连接盘完全结合，螺孔对齐后，再用6颗M10×40高强度螺栓连接紧固；
9. 用百分表检查油缸安装后的经向跳动，控制在最小范围以内；
10. 用两根油管连接液压站和回转油缸，接通液压站电源，使拉杆伸出；
11. 把20mm厚转换螺母内外螺纹涂抹润滑脂，旋入卡盘，并拧紧；
12. 拆除卡盘上的卡爪，用吊具吊起卡盘，移动到主轴端，当卡盘定位孔与主轴定位销对齐，螺母与拉杆对齐后，用专用扳手旋转卡盘螺母旋入拉杆，使卡盘向主轴端慢慢贴紧，完全贴紧后安装6颗M12×100高强度螺栓连接紧固；
13. 用百分表检查卡盘的经向/轴向跳动，控制在最小范围以内；
14. 检查油缸伸缩是否灵活，行程是否正常。

液压部分

液压系统设计：

液压卡盘油路系统是基于操作简便和安全的原则设计：

1. 油路须含有自锁机构，当工作时，发生停电或压力过低时，自锁机构将维持固定状态，使工件不至于飞出发生事故。
2. 当使用3位4通电磁阀控制油缸伸缩，液压回路必须设计成在脱磁状态时，工件仍处于被夹紧状态。
3. 为了防止由内径夹持切换至外径夹持所产生的错误操作，必须提供一个内外径夹持的切换阀。
4. 在油路中设计调压阀，以适应不同材质的夹持力。
5. 主轴在停止状态时，卡盘的夹紧和松开才能动作，旋转中禁止动作。

液压系统工作原理图如下：

液压卡盘工作过程：

1. 卡盘夹紧

机床上电后，启动液压泵P1，压力表A1指示为35bar，说明液压系统压力正常。液压油经油路块V4→单向阀V3→减压阀V2→压力继电器B2→电磁换向阀V1.P口。当数控系统给出夹紧指令或踩下脚踏开关，电磁阀线圈YV1得电吸合，推动阀芯向右移动，电磁阀P→B口导通，液压油又经双液控单向阀V7.T口→电磁阀V6.T→B→V7.B口，进入油缸A5，推动活塞向右移动，带动拉杆使卡盘卡爪夹紧，从而夹紧零件。

2.卡盘松开

松开是夹紧逆向动作，不再赘述。

主要液压元件的作用：

1. 液压油泵P1，为液压系统提供动力；
2. 单向阀V3，保压，防止液压油倒入液压泵，隔离油路间的相互干扰；
3. 减压阀V2，卡盘压力调整，压力范围10-25bar，以适合不同材料的夹持压力；

注：减压阀调整压力不得高于卡盘厂家设计的最大压力，过大将会损坏卡盘。

1. 压力继电器B1，B2，选用；
2. 换向阀V1，控制电磁阀线圈YV1/YV2，从而控制卡盘夹紧或松开；
3. 换向阀V6，选用，卡盘内径或外径夹紧转换，可配置为手动阀。只许主轴在停止状态才能转换动作。数控系统可以通过参数控制内外卡控制时，不用V6。
4. 双液控单向阀V7，实现互锁、保压，当突然断电或压力丢失，卡盘保持固定状态。本例所选M1552回转油缸自带止逆装置，可不安装，如卡盘无止逆装置，必须安装。

液压系统主要元件表：

液压油：

推荐使用抗磨液压油：

初次使用半年后应更换一次液压油，以后根据液压油的污染情况及时更换，但最长不得超过一年。

连绩高速的运转将导致油温的升高而造成油封材质及液压油的快速恶化，使用冷却装置，保持温度低于60°C 。

液压系统调试

1. 液压系统安装完毕后，首先根据液压系统的原理图、各部分施工设计图、电气控制设计图等检查液压系统各部分安装是否正确无误，管道连接是否正确无误，电气接线是否正确无误，否则应及时纠正处理。
2. 以上工作完成后，请按以下步骤进行本系统调试工作（参阅液压系统原理图）。
3. 用过滤精度为10um的加油车，通过空气滤清器向油箱内注入要求的液压油到液位计指示范围上限。
4. 将所有的压力阀、流量阀或变量泵压力调节的手柄旋松。
5. 启动电动机，观察其风扇旋转方向是否正确，否则需将电机的3相电线中的两根调换。
6. 启动变量叶片泵，使泵空载转动约10分钟，若无异响，缓慢旋紧油泵调压螺钉，同时观察系统压力表，当系统压力达到要求时(本系统调定值为35bar·)，将背帽锁紧，保持系统压力稳定。
7. 换向阀换向正确后，再调节压力阀至设定值。
8. 以上各项工作完成后，检查液压系统各管接头、阀安装面等部位有无渗漏现象，检查所有紧固螺钉有无松动现象，若发现异常应及时处理。至此液压系统具备正常运行条件。

液压系统常见故障及维修

电气部分

控制电路设计：

CAK40系列数控车床出厂已经设计有液压卡盘控制电路，整理如下图。

主要电器元件表：

数控系统参数设置：

GSK980TDi数控系统卡盘控制参数：

Bit4 1: 程序运行时,外接卡盘控制有效；

0: 程序运行时,外接卡盘控制无效。

Bit3 1: 检查卡盘到位信号；

0: 不检查卡盘到位信号。

Bit2 1: 外卡方式，NQPJ为外卡盘松信号，WQPJ为外卡盘紧信号；

0: 内卡方式，NQPJ为内卡盘紧信号，WQPJ为内卡盘松信号。

Bit1 1: 卡盘功能有效时，不检查卡盘是否夹紧；

0: 卡盘功能有效时，检查卡盘是否夹紧，如果卡盘未夹紧，则无法启动主轴且报警。

Bit0 1: 卡盘控制功能有效；

0: 卡盘控制功能无效。

Bit7 1: 液压控制功能有效；

0: 液压控制功能无效。

Bit1 1: 压力检测信号低电平时（与+24V断开），压力低报警；

0: 压力检测信号高电平时（与+24V接通），压力低报警。

Bit0 1: 压力低检测功能有效；

0: 压力低检测功能无效。

卡盘与主轴的互锁关系

1. 卡盘松开时，手动和自动都不能启动主轴；
2. 卡盘夹紧时，主轴运转中，踩脚踏开关无用。

常见故障及维修

卡盘运转测试与故障排除：

运转测试

1. 确认液压卡盘、回转油缸、拉杆、液压系统、控制电路均连接正确，可靠；
2. 试运转时，先将液压压力调整把手开到最小的位置，而后迅速切换开关一次，检查液压油泵的旋转方向是否正确，如果是以相反方向来旋转，更换电源中的二条线后，启动开关以全速来运转。
3. 首先将液压的压力设定于低压，此低压力要足够使夹头产生作动(0.35~0.5MPa)设定完毕后，依下列步骤检查：

．检查夹头的作动是否顺畅。

．检查作动方向是否正确（夹头爪的开合）。

．检查作动行程是否足够（夹头爪的行程）。

．检查各部位的管路有无漏油的现象。

1. 依照上叙的事项检查正确后，慢慢的增加压力直到所需要的油压力时，再检查一次，
2. 同时査看泄油管的油是否顺畅的流下；
3. 将车床主轴的转速设定于最小值，检查回转油缸的偏摆状况及管路有无异常，若一切正常再慢慢的增加速度；
4. 一旦有震动的情况发生，必须再次检査回转油缸连接盘的跳动状况；
5. 如果液压油温不高时（低于30 °C ) 以最大速度的1/3来运转温机。

故障排除

附录

CAK系列数控车床主轴数据：

液压卡盘及回转油缸选择配置：

中空型参数表：

中实型参数表：

说明：机床主轴最高转速受主轴轴承及润滑和冷却的限制，无法达到液压卡盘设计的最高转速，不要盲目的提高机床主轴转速，转速过高将会损坏主轴轴承，切记。