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电动卡盘机械设计毕业论文

第一章三爪卡盘

1.1夹具的概述

在机械加工过程中，为了保证工件的加工精度，使之相对于机床、刀具占有确定的位置，并能迅速、可靠地夹紧工件，以接受加工或检测的工艺装备称为机床夹具，简称夹具。

夹具的组成：

1）定位元件

它与工件的定位基准相接触，用于确定工件在夹具中的正确位置，从而保证加工时工件相对于刀具和机床加工运动间的相对正确位置。

2）夹紧装置

用于夹紧工件，在切削时使工件在夹具中保持既定位置。

3）对刀、引导元件或装置

这些元件的作用是保证工件与刀具之间的正确位置。

用于确定刀具在加工前正确位置的元件，称为对刀元件，如对刀块。

用于确定刀具位置并导引刀具进行加工的元件，称为导引元件。

4）连接元件

　使夹具与机床相连接的元件，保证机床与夹具之间的相互位置关系。

5）夹具体

　用于连接或固定夹具上各元件及装置，使其成为一个整体的基础件。

它与机床有关部件进行连接、对定，使夹具相对机床具有确定的位置。

6）其它元件及装置

　　有些夹具根据工件的加工要求，要有分度机构，铣床夹具还要有定位键等。

　以上这些组成部分，并不是对每种机床夹具都是缺一不可的，但是任何夹具都必须有定位元件和夹紧装置，它们是保证工件加工精度的关键，目的是使工件定准、夹牢。

夹具的功用：

1）能稳定地保证工件的加工精度

　　用夹具装夹工件时，工件相对于刀具及机床的位置精度由夹具保证，不受工人技术水平的影响，使一批工件的加工精度趋于一致。

　　2）能减少辅助工时，提高劳动生产率

　　使用夹具装夹工件方便、快速，工件不需要划线找正，可显著地减少辅助工时；工件在夹具中装夹后提高了工件的刚性，可加大切削用量；可使用多件、多工位装夹工件的夹具，并可采用高效夹紧机构，进一步提高劳动生产率。

　　3）能扩大机床的使用范围，实现一机多能

　　根据加工机床的成形运动，附以不同类型的夹具，即可扩大机床原有的工艺范围。

例如在车床的溜板上或摇臂钻床工作台上装上镗模，就可以进行箱体零件的镗孔加工。

1.2三爪卡盘的介绍

三爪卡盘是机床上用来夹紧工件的机械装置。

利用均布在卡盘体上的活动卡爪的径向移动，把工件夹紧和定位的机床附件。

卡盘一般由卡盘体、活动卡爪和卡爪驱动机构三部分组成。

卡盘体直径最小为65毫米，最大可达1500毫米，中央有通孔，以便通过工件或棒料；背部有圆柱形或短锥形结构，直接或通过法兰盘与机床主轴端部相联接。

卡盘通常安装在车床、外圆磨床和内圆磨床上使用，也可与各种分度装置配合，用于铣床和钻床上。

三爪卡盘是由爪盘体、小锥齿轮、大锥齿轮（另一端是平面螺纹）和三个卡爪组成。

三个卡爪上有与平面螺纹相同螺牙与之配合，三个卡爪在爪盘体中的导槽中呈120°均布。

爪盘体的锥孔与车床主轴前端的外锥面配合，起对中作用，通过键来传递扭矩，最后用螺母将卡盘体锁紧在主轴上。

三爪卡盘结构图

1.3三爪卡盘改进的意义

在普通机床数控化改造的过程中，主要是进行机床进给装置的数控化改造，对于机床附件和其他功能的数控化改造，则视实际需要而定。

普通车床数控化改造中，一般并不进行三爪卡盘的改造，但是，如果所改造的车床用于大批量生产，则自动三爪卡盘却是提高生产率的关键。

对于普通机床而言,若是进行大批量生产,若工件能够实现自动装夹,将会降低操作人员的劳动强度,节省时间,提高效率。

对于力气较小的操作人员而言，装夹工件不仅费力，还会存在安全隐患。

因此，为解决以上问题，如何在投资少、时间短的基础上将原有手动三爪卡盘（包括普通机床和数控机床）改造为自动三爪卡盘，仍然是值得关注和研究的。

对于自动卡盘可以设计成液压控制和电控制，液压控制比较繁琐，选择电动卡盘。

通过这次毕业设计，扎实我们所学的基础理论和专业知识，逻辑思维能力、动手能力、独立学习能力，分析和解决问题的能力、查阅和归纳数据的能力都会有大幅度提高，为我们即将踏上工作岗位很大的帮助。

方法：

在主轴内孔中装一传动轴与卡盘内部联接，通过联轴器传动与异步电动机联接，控制电动机实现卡盘装夹与松开的自动化。

第二章电动卡盘

2.1电动卡盘的概述

电动卡盘涉及广泛应用于机械领域的一类夹持工件的通用夹具。

本发明由电动卡盘装置夹持功能单元，电动卡盘装置动力功能单元，电磁摩擦离合器组件，卡盘体外壳及电磁制动器组件等组成。

当电磁制动器组件通电时，电动卡盘装置夹持功能单元与床头箱联接为一体且不旋转；电磁摩擦离合器组件通电，电动卡盘装置动力功能单元把旋转运动传递给卡爪夹紧或松开工件。

加工过程中，仅电动卡盘装置夹持功能单元随主轴旋转，而电动卡盘装置动力功能单元不随主轴旋转。

本发明与已有技术相比较，有效减少随主轴旋转部分零件数量及旋转的质量，有利于提高主轴动平衡质量，易于系列化和标准化设计制造、装置结构简单紧凑，便于安装和维修。

特点：

是属于电动型带动，通过其它主轴等来带动卡盘，通电后，主轴转动，卡盘即吻和转动，既有效快的转动力，速度快，转速高，精密度高，寿命长。

2.2国内外电动卡盘的研究现状

在国外,尤其是发达国家比较早开始了城镇化道路,在城市化的发展阶段,发展条件同发展中国家相比有明显区别和差距,一些发达国家在上世纪就已经达到了很高的城镇化水平,基本完成了城市化的进程,甚至出现了城镇人口向城郊回流,所以国外对城镇化的研究时间比我们要早,研究范围比我们要广研究的程度要深。

近年来中国电动三爪自定心卡盘机行业取得了很大的发展，但是行业发展中也存在一些问题，和国外相比仍有很大的差距。

中国制造业由于缺乏核心技术，贴牌生产仍然是“中国制造”普遍的生存模式。

很多高端产品表面上市中国生产，其实核心技术都来自国外。

为此，“十二五”明确指出必须坚持发挥市场基础性作用与政府引导推动相结合，科技创新与实现产业化相结合，深化体制改革，以企业为主体，推进产学研结合，让高端制造业成为国民经济的先导产业和支柱产业。

制造业的升级和转型，对于电动三爪自定心卡盘行业有着深远影响和重大意义。

2.3普通三爪卡盘改进为电动卡盘的思路

原有的手动三爪卡盘是通过人工转动小锥齿轮，使螺旋盘带动卡爪实现工件的松开和夹紧。

这个过程既花费了时间也增加了劳动强度，为使松加工件的过程能自动完成以提高工作效率，可将原有三爪卡盘改造为传动或电动方式的自动三爪卡盘。

一般液压传动方式对原有卡盘的改动较大、液压系统需要较大的投资而且夹紧过程需要保持压力，使液压系统更为复杂，因此，常用的改造方式是将手动三爪卡盘改造为电动三爪卡盘。

2.4普通三爪卡盘改进为电动卡盘的设计

电动三爪卡盘应满足卡爪活动范围大、可夹持工件的尺寸范围大，装夹力度可靠，并可实现自锁等要求。

为此，可以保留原来的螺旋盘带动卡爪实现工件的松开和夹紧这一套机构。

但是，由于三相异步电动机的转速较高，对松夹工件不利，因此在传动轴和螺旋盘之间增加了具有大传动比的行星齿轮机构。

其结构是有由双排行星机构组成的行星传动装置，为使结构紧凑，将双排行星机构的太阳轮、行星轮设计成完全一样，也就是共用太阳轮和行星轮。

其工作原理为：

行星轮Z4同时与太阳轮Z2、固定齿圈Z3及转动齿圈Z5啮合，平面螺旋盘与转动齿圈Z5固定连结，电动机的运动通过联轴器传动使太阳轮Z2转动，并通过行星传动装置的转动齿圈Z5带动螺旋盘转动，从而带动卡爪夹紧或松开工件。

第三章电动卡盘机械部分设计

3.1卡盘各部分尺寸的测量（见附件

（2）零件图及装配图）

3.2行星轮系的设计

行星轮系的定义：

当齿轮系运转时，至少一个齿轮的几何轴线绕另一个齿轮固定几何轴线转动。

优点：

行星轮的自由度为1

计算：

d1+d2=m*（Z1+Z2）

即中心距=模*两个齿轮数的和

根据卡盘孔尺寸设计各个齿轮,首先先预设各齿轮的齿数，行星轮的齿数为18，太阳轮的齿数为23，固定齿圈的齿数为60，转动齿圈的齿数为59。

通过这些公式计算出齿轮的参数。

齿轮参数和各部分定义：

1）齿数Z

　　闭式齿轮传动一般转速较高，为了提高传动的平稳性，减小冲击振动，以齿数多一些为好，小一些为好，小齿轮的齿数可取为z1=20~40。

开式（半开式）齿轮传动，由于轮齿主要为磨损失效，为使齿轮不致过小，故小齿轮不亦选用过多的齿数，一般可取z1=17~20。

　　为使齿轮免于根切，对于α=20o的标准支持圆柱齿轮，应取z1≥17。

Z2=u•z1。

　　2）压力角αrb=rcosα=1/2mzcosα

　　在两齿轮节圆相切点P处，两齿廓曲线的公法线（即齿廓的受力方向）与两节圆的公切线（即P点处的瞬时运动方向）所夹的锐角称为压力角，也称啮合角。

对单个齿轮即为齿形角。

标准齿轮的压力角一般为20”。

在某些场合也有采用α=14.5°、15°、22.50°及25°等情况。

　　3）模数m=p/π

　　齿轮的分度圆是设计、计算齿轮各部分尺寸的基准，而齿轮分度圆的周长=πd=zp

　　模数m是决定齿轮尺寸的一个基本参数。

齿数相同的齿轮模数大，则其尺寸也大。

　　4）齿顶高系数和顶隙系数—h*a、C*

　　两齿轮啮合时，总是一个齿轮的齿顶进入另一个齿轮的齿根，为了防止热膨胀顶死和具有储成润滑油的空间，要求齿根高大于齿顶高。

为次引入了齿顶高系数和顶隙系数。

正常齿：

h*a=1；C*=0.25短齿：

h*a=0.8；C*=0.3[2

齿轮各部分计算

齿轮的直径计算方法

　　齿顶圆直径=（齿数+2）*模数

　　分度圆直径=齿数*模数

　　齿根圆直径=分度圆直径-2.5模数=齿顶圆直径-4.5模数

　　比如：

M4、32齿

　齿顶圆直径=（32+2）*4=136mm

　　分度圆直径=32*4=128mm

　　齿根圆直径=136-4.5*4=118mm

　　这种计算方法针对所有的模数齿轮（不包括变位齿轮）。

　　模数表示齿轮牙的大小。

　　齿轮模数=分度圆直径÷齿数=齿轮外径÷（齿数+2）

齿轮模数选择

　　齿轮模数国家标准为GB1357-78。

　　优先选用模数：

0.1mm、0.12mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.8mm、1mm、1.25mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm；

　　可选模数：

1.75mm、2.25mm、2.75mm、3.5mm、4.5mm、5.5mm、7mm、9mm、14mm、18mm、22mm、28mm、36mm、45mm；

　　很少用模数：

3.25mm、3.75mm、6.5mm、11mm、30mm、

4相互啮合的齿轮需要满足的条件

条件：

模数相等

　m1=m2,α1=α2,β1=β2

1.转动齿圈齿数z=59

d=mz=1.5×59=88.5/2=44.25mm

da=m（z-2ha*）=1.5×（59-2）=85.5/=42.75mm

df=m（z-2ha*+2c*）=1.5（59+2+0.4）=92.25/2=46.125mm

2.固定齿圈齿数z=60

d=mz=1.5×60=90mm

da=m（z-2ha*）=1.5×（60-2）=87mm

df=m（z-2ha*+2c*）=1.5（60+2+0.5）=93.75/2=46.875mm

3.行星轮齿数z=18

d=mz=1.5×18=27/2=13.5mm

da=d+2ha=m（z+2ha*）=1.5（18+2）=30/2=15mm

df=m（z-2ha*-2c*）=1.5（18-2-0.5）=23.25/2）=11.625mm

4.太阳轮齿数z=23

d=mz=1.5×23=34.5mm

da=d+2ha=m（z+2ha*）=1.5（23+2）=37.5/2=18.75mm

df=m（z-2ha*-2c*）=1.5（23-2-0.5）=30.75/2=15.375mm

有关齿轮的计算公式如下表：

模数

m

根据强度计算确定，选取标准值

压力角

a

a=20°

齿顶高

ha

ha1=ha2=ha=ha*m

全齿高

h

h1=h2=h=（2ha*+c*）m

齿顶圆直径

da

da1=d1+2ha=m（z1+2ha*）

齿根圆直径

df

df1=d1-2hf=m（z1-2ha*-2c*）

分度圆直径

d

d1=mz1,d2=mz2

周节

p

p=πm

齿厚

s

s=

传动比

i

i12=

=

=

=

3.3键的选择

键的作用，键的分类

作用：

作轴和轴上零件之间的周向固定以传递扭矩，有些键还可实现轴上零件的轴向固定或轴向移动。

分类：

平键、半圆键、楔键、切向键

键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。

键的类型应根据键联接的结构特点、使用要求和工作条件来选择（转矩大小、联接位置、对中性要求、轴向固定方法等），键的尺寸则按符合标准规格和强度要求来取定。

键的主要尺寸为其截面尺寸b*h与长度L。

键的截面尺寸按轴的直径d由标准中选定。

键的长度一般可按轮毅的长度而定，即键长等于或略短于轮毅的长度；而导向平键则按轮毅的长度及其滑动距离而定。

3.4轴承的选择

轴承的作用及分类：

分类：

滚动轴承、向心轴承、球轴承、止推轴承等等。

作用：

是支撑，但这只是其作用的一部分，支撑其实质就是能够承担径向载荷。

也可以理解为它是用来固定轴的。

就是固定轴使其只能实现转动，而控制其轴向和径向的移动。

选择：

1．轴承的安装空间能容纳于轴承安装空间内的轴承型由于设计轴系时注重轴的刚性和强度，因此一般先确定轴径，即轴承内径。

但滚动轴承有多种尺寸系列和类型，应从中选择最为合适的轴承类型。

2．内圈与外圈的相对倾斜分析使轴承内圈与外圈产生相对倾斜的因素（如负荷引起的轴的挠曲、轴及外壳的精度不良或安装误差），并选择能适应这种使用条件的轴承类型。

因此应选择可以承受这种倾斜的轴承类型。

如果内圈与外圈的相对倾斜过大，轴承会因产生内部负荷造成损伤。

3．负荷轴承负荷的大小、方向和性质[轴承的负荷能力用基本额定负荷表示，其数值载于轴承尺寸表]轴承负荷富于变化，如负荷的大小、是否只有径向负荷、轴向负荷是单向还是双向、振动或冲击的程度等等。

在考虑了这些因素后，再来选择最为合适的轴承类型。

一般来说，相同内径的轴承的径向负荷能力按下列顺序递增：

深沟球轴承＜角接触球轴承＜圆柱滚子轴承＜圆锥滚子轴承＜调心滚子轴承

4．安装与拆卸定期检查等的装拆频度及装拆方法装拆频繁时，使用内圈与外圈可分离的圆柱滚子轴承，滚针轴承及圆锥滚子轴承较为方便。

深沟球轴承、接触球轴承、圆柱滚子轴承

滚子轴承承受负荷生的变形比球轴承小。

对轴承施加预紧（负游隙）可以提高刚性。

该方法适用于角接触球轴承和圆锥滚子轴承。

5．转速能适应机械转速的轴承类型[轴承转速的界限值基准用极限转速表示，其数值载于轴承尺寸表]轴承的极限转速不仅取于轴承类型还限于轴承尺寸、保持架型式、精度等级、负荷条件和润滑方式等，因此，选择时必须考虑这些因素。

本课题经查阅书籍，测量出电机轴的直径，从而确定轴承的型号其代号为6002，d15，D32，B9;6004，d20，D42，B12

3.5零件图及装配图

本设计中需要加工的零件很多，特别是卡盘的各个组成零件，以及行星轮系，加工所需的零件图见附件

（2）零件图与装配图

第四章电动卡盘电气控制部分的设计

4.1控制电路图的设计

电动卡盘的电气控制部分电路图设计如下：

其工作原理如下：

电动卡盘的控制电路中，M1为控制电动机，SB1为夹紧按钮，SB2为松开按钮，当按下按钮SB1时，SB1常闭按钮先断开，SB1常开按钮后闭合，KM1线圈得电，KM1的主触头闭合，M正转，实行卡爪夹紧运转。

当松开SB1按钮，则SB1常开按钮先断开，SB1常闭按钮后闭合，KM1线圈失电，KM1主触头断开，M失电，卡爪停止夹紧运动。

当按下SB2时，SB2常闭按钮先断开，SB2常开按钮后闭合，KM2线圈得电，KM2的主触头闭合，M反转，实行卡爪松开运转。

4.2电器元器件的选择

为满足电动卡盘控制部分的要求，电路中的元器件有很多，本小节内容介绍如下。

4.2.1电机的选择

选择电动机种类的原则是在满足生产机械技术性能的前提下，优先选用结构简单、工作可靠、价格便宜、维修方便、运行经济的电动机。

交流电动机优于直流电动机，异步电动机优于同步电动机，所以我们采用交流异步电动机。

随着交流变频调速技术的发展，交流电动机的应用将越来越广泛，正逐渐取代直流电动机。

为此我们通过询问老师及市场调查选择了型号为YS-7124的电机。

4.2.2电器元器件选择

通过电路图选定需要购买的元器件。

然后通过电机的型号选择相应的元器件型号。

第五章电动卡盘的组装调试

5.1机械部分的组装

组装的定义：

机械装配就是按照设计的技术要求实现机械零件或部件的连接，把机械零件或部件组合成机器。

机械装配是机器制造和修理的重要环节，特别是对机械修理来说，由于提供装配的零件有利于机械制造时的情况，更使得装配工作具有特殊性。

装配工作的好坏对机器的效能、修理的工期、工作的劳力和成本等都起着非常重要的作用。

组装的基本原则：

基准

机械零件是由若干个表面组成的，研究零件表面的相对关系，必须确定一个基准，基准是零件上用来确定其它点、线、面的位置所依据的点、线、面。

根据基准的不同功能，基准可分为设计基准和工艺基准两类。

1、设计基准：

在零件图上用以确定其它点、线、面位置的基准，称为设计基准。

2、工艺基准：

零件在加工和装配过程中所使用的基准，称为工艺基准。

工艺基准按用途不同又分为装配基准、测量基准及定位基准。

（1）装配基准装配时用以确定零件在部件或产品中的位置，称为装配基准。

（2）测量基准用以检验已加工表面的尺寸及位置的基准，称为测量基准。

（3）定位基准加工时工件定位所用的基准，称为定位基准。

作为定位基准的表面（或线、点），在第一道工序中只能选择未加工的毛坯表面，这种定位表面称为粗基准。

在以后的各个工序中就可采用已加工表面作为定位基准，这种定位表面称精基准。

组装过程：

见附件视频

5.2电气控制部分的组装

5.3运行及调试

1、将各个零件和各元器件安装完，开始对各部分检查是否安全，确定无误时开始手动控制，按照操作流程进行操作。

2、按下对应按钮，查看卡盘是否相应转动，查看控制线路是否接错，如若有误，我们将重新开始安装，确定安装完成，我们将继续调试，直至调试无误。

调试无误后我们将对控制线路进行调试，调试如下：

按照接线图完成控制电路的接线和安装，经校验无误后，连接电动卡盘，接通电源，按照流程进行操作。

结束语

五年的大专时光伴随着毕业答辩即将画上个完整的句号。

回首这五年的美好时光觉得自己真的浪费了太多的时间和精力，在完成的毕业设计里我们知道，这不仅是对自己这五年来的总结，同时也是对这五年来的一个学习成果的考核，更是对自己工作前的一次演习。

在这两个多月的毕业设计过程中，从开始接到毕业设计课题到一步步制作电动卡盘，再到论文的完成，每一步对我们来说都是新的尝试与挑战。

也是我们在这5年大专生涯中完成的最浩大的项目。

在这段时间里，我们学到很多知识也有很多感受，学会了SOLIDWORK绘制三维图。

毕业设计过程中，我们进一步加强了团队协作精神，并取得了一定的成绩。

通过这次毕业设计，我们相信在以后的学习和工作过程中，一定可以好好的解决问题，提高自己的能力，较快地适应工作和社会激烈的竞争。

本设计的开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，得到了我们指导老师的精心指导，使得本设计得以顺利完成，在此我们向我们的指导老师李培兰老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。

感谢机电工程系的领导和老师对我们的关心和指导，在设计过程中提出了许多宝贵的意见，为我们完成设计给予了极大的帮助，在此对各位老师表示衷心的感谢！

在这最后的学习生涯里，我一定会更加珍惜此刻所有的一切，同时也真心的祝愿所有老师在以后的工作中身体健康，工作顺利！

附件

附件

（1）学生工作情况

图1Solidworks绘图图2论文的编写

图3CAD零件图绘制图4PPT制作

附件

（2）零件图装配图

行星轮太阳轮

行星架

固定齿圈

转动齿圈

传动轴

行星架

三爪卡盘

电动卡盘机械传动部分装配图

固定齿圈

行星轮行星架

太阳轮转动齿圈

行星架的轴

滚珠轴承

螺旋盘卡爪

三爪卡盘体三爪卡盘

致谢

两个月的毕业设计在大家的努力中终于结束了，在毕业设计过程中，我们进一步加强了团队协作精神，并取得了一定的成绩。

此次的毕业设计中得到的经验，让我相信在以后的学习和工作过程中得以受用，并能提高自己的工作能力，能够很快适应社会中的激烈竞争。

本设计从开始的开题论证、课题研究、论文撰写和修改审校整个过程中，得到了李培兰老师的关心和悉心指导，使得本设计得以圆满完成，这次的毕业设计饱含了指导老师和小组成员的汗水和心血。

在此，我们对李培兰老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。

除此之外，我们还要感谢机电工程系的领导和老师对我们的关心的指导，在毕业设计过程中提出了许多宝贵的意见和建议，对我们的毕业设计给予了极大的帮助。

在此，对各位领导和老师表示衷心的致谢！

参考文献

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