CN114423549A - 具有改进的夹持行程的卡盘 - Google Patents

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布赖恩·李·金尼
丹尼尔·迪尤尔
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Abstract

一种用于夹持工件的卡盘，该卡盘包括：卡盘主体；夹爪，其连接到卡盘主体，用于沿着夹爪路径相对于卡盘主体在夹爪闭合方向和夹爪打开方向上做受限运动；致动器主体，其连接到卡盘主体，用于沿着致动器路径相对于卡盘主体做受限运动；以及滑块主体，其连接到卡盘主体，用于沿着滑块主体路径相对于卡盘主体做受限运动。滑块主体连接到夹爪，用于沿着“滑块主体相对夹爪”路径相对于夹爪做受限运动。滑块主体连接到致动器主体，用于沿着“滑块主体相对致动器主体”路径相对于致动器主体做受限运动。

Description

具有改进的夹持行程的卡盘
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年8月28日提交的美国临时申请No.62/892,787的优先权，该美国临时申请的主题通过引用的方式整体并入本文中。
技术领域
各种实施例总体上涉及用于夹持工件的机器卡盘。
背景技术
卡盘被使用在工件加工机器(例如车床)上，以在加工过程中夹持工件。卡盘通常通过将致动器(例如气动或液压致动器、拉杆等)的轴向驱动运动转换为卡盘的夹爪朝工件的径向运动以夹持工件来发挥作用。
如图7所示，一种常规类型的卡盘1000在致动器主体和夹爪之间提供倾斜的滑动路径连接。斜面/楔形将致动器主体的轴向运动转换成夹爪的径向运动。这种双楔形路径系统提供单独的快速移动(低力)大楔形角路径1010和离散的慢速移动(高夹持力)小楔形角路径1020。在夹爪闭合期间，夹爪首先在大楔形角路径1010上滑动以迅速使夹爪闭合。然后，夹爪在小楔形角路径1020上滑动以提供高夹持力。在大楔形角路径1010运动期间，夹爪可能提供的夹持力不足，因此双楔形路径系统仅用于在窄夹爪行程范围内夹持工件，该窄夹爪行程范围对应于与小楔形角路径相关联的低速、高力夹爪运动。
这种常规的双楔形路径卡盘1000将快速行进角度和慢速移动行进组合到一个导轨(一个单一路径)1010、1020中。这会在夹爪在从快速行进路径1010到慢速行进路径1020的突然转变部1030处“转弯”时产生磨损的问题。这导致夹爪的严重磨损，并且它们必须根据卡盘的使用情况在一段时间之后更换。
发明内容
一个或多个非限制性实施例通过分离快速行进角度路径和慢速行进角度路径并消除易磨损过渡部1020来改进常规卡盘100。
一个或多个非限制性实施例提供了一种改进的卡盘，该卡盘(1)是轴向紧凑型的，并且/或者(2)在夹爪的径向行程上的任何点处提供足够的夹持力，以适应具有广泛变化的直径的工件。
一个或多个非限制性实施例提供了一种用于夹持工件的卡盘，其中，所述卡盘包括：卡盘主体；夹爪，所述夹爪连接到所述卡盘主体，用于沿着夹爪路径相对于所述卡盘主体在夹爪闭合方向和夹爪打开方向上做受限运动；致动器主体，所述致动器主体连接到所述卡盘主体，用于沿着致动器路径相对于所述卡盘主体做受限运动；以及滑块主体，所述滑块主体连接到所述卡盘主体，用于沿着滑块主体路径相对于所述卡盘主体做受限运动。所述滑块主体连接到所述夹爪，用于沿着“滑块主体相对夹爪”路径相对于所述夹爪做受限运动。所述滑块主体连接到所述致动器主体，用于沿着“滑块主体相对致动器主体”路径相对于所述致动器主体做受限运动。
根据这些实施例中的一个或多个实施例，在所述致动器路径与所述“滑块主体相对致动器主体”路径之间形成角度A；在所述致动器路径与所述“滑块主体相对夹爪”路径之间形成角度J；并且所述角度A小于所述角度J。
根据这些实施例中的一个或多个实施例，在所述滑块主体路径与所述“滑块主体相对夹爪”路径之间形成角度S；并且所述角度S在90°至135°之间。
根据这些实施例中的一个或多个实施例，所述角度A在5°至40°之间。
根据这些实施例中的一个或多个实施例，所述角度J在30°至60°之间。
根据这些实施例中的一个或多个实施例，所述夹爪包括第一夹爪，所述第一夹爪安装到所述卡盘主体，用于沿着第一夹爪路径相对于所述卡盘主体在第一夹爪闭合方向和第一夹爪打开方向上移动；所述卡盘包括第二夹爪，所述第二夹爪安装到所述卡盘主体，用于沿着第二夹爪路径相对于所述卡盘主体在第二夹爪闭合方向和第二夹爪打开方向上移动；所述滑块主体包括第一滑块主体；所述卡盘包括第二滑块主体，所述第二滑块主体将所述第二夹爪与所述致动器主体相互连接，以便以沿着所述致动器路径的致动器主体运动与沿着所述夹爪路径的第二夹爪运动的比率将所述致动器主体在第一方向上的运动转换成所述第二夹爪在所述第二夹爪闭合方向上的运动。
根据这些实施例中的一个或多个实施例，所述夹爪路径和所述致动器路径都是线性的。
根据这些实施例中的一个或多个实施例，所述滑块主体路径、“滑块主体相对夹爪”路径和“滑块主体相对致动器主体”路径都是线性的。
根据这些实施例中的一个或多个实施例，卡盘包括具有轴向通孔的通孔卡盘，所述轴向通孔被成形和构造成允许工件从所述卡盘的与所述夹爪所在位置相对的轴向侧馈送到所述卡盘中。
一个或多个非限制性实施例提供了一种工件加工机器(例如车床)，所述工件加工机器包括根据这些实施例中的一个或多个实施例的卡盘。
根据这些实施例中的一个或多个实施例，所述卡盘包括配重，所述配重可移动地安装到所述卡盘主体，并相对于所述滑块主体设置为在所述卡盘旋转时向所述滑块主体施加径向向内的力。
在参考附图考虑以下描述和随附的权利要求书后，本发明的各种实施例的这些和/或其他方面中的一个或多个，以及结构的相关元件的操作的方法和功能以及部件的组合和制造的经济性将变得更加明显，所有这些构成本说明书的一部分，其中，相同的附图标记表示各个图中的对应部分。在一个实施例中，本文所示的结构部件是按比例绘制的。然而，应明确理解，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在作为对本发明的限制的定义。此外，应当理解，本文中的任何一个实施例中所示或描述的结构特征也可以用于其他实施例中。如在说明书和权利要求书中使用的，单数形式的“一”、“一个”和“所述”包括复数个所指对象，除非上下文中另有明确规定。
本文所公开的所有封闭式(例如，在A至B之间)和开放式(大于C)值范围明确地包括落入或嵌套在这些范围内的所有范围。例如，所公开的1-10的范围被理解为还公开了2-10、1-9、3-9等范围。类似地，在多个参数(例如，参数C、参数D)被单独公开为具有范围的情况下，本文所公开的实施例明确包括将一个参数(例如，参数C)的公开范围内的任何值与任何其他参数(例如，参数D)的公开范围内的任何值组合的实施例。
附图说明
为了更好地理解各种实施例以及其他目的和其进一步的特征，参考将结合附图使用的以下描述，其中：
图1是根据实施例的车床的前视局部示意图；
图2是沿着图1中的线A-A截取的图1的车床的卡盘的剖切透视图；
图3是沿着图1中的线A-A截取的图1的车床的卡盘的剖切侧视图，其中，卡盘的夹爪被示出为处于打开位置；
图4是沿着图1中的线A-A截取的图1的车床的卡盘的剖切侧视图，其中，卡盘的夹爪被示出为处于闭合的静止位置；
图5是沿着图1中的线A-A截取的图1的车床的卡盘的剖切侧视图，其中，卡盘的夹爪被示出为处于闭合的旋转位置(其中，配重作用在卡盘上以帮助保持卡盘关闭)；
图6是图1的车床的卡盘的滑块主体的透视图；以及
图7是现有技术的卡盘的侧视图。
具体实施方式
图1示出了用于夹持和加工工件20的机器10。在图示的实施例中，虽然机器10包括车床，但可以替代地包括各种其他工件夹持和/或加工机器(例如，铣床等等)。在图示的实施例中，工件20包括管状坯料，但可以替代地包括由机器10夹持和加工的任何其他合适类型的工件。
如图1和图2所示，机器10包括卡盘30，卡盘30被成形和构造成选择性地夹持工件20以进行加工。在图示的实施例中，卡盘30安装到机器10以相对于机器10的其余部分围绕轴线40旋转。根据各种实施例，机器10包括用于围绕轴线40旋转地驱动卡盘30和所夹持的工件20的马达，例如以用于车削操作。然而，根据替代实施例，卡盘可以是非旋转的，或者可以是自由旋转的(即，非被驱动的)。
如图1所示，卡盘30包括多个夹爪50，这些夹爪50围绕卡盘30沿周向均匀地间隔开。夹爪50同时朝轴线40径向向内移动以夹持工件20。在这种构造中，卡盘30作为外径(OD)夹持卡盘30操作。然而，应当理解，在不偏离一个或多个实施例的范围的情况下，闭合的相对方向可以颠倒以提供内径(ID)夹持卡盘。
在下文中，将详细描述多个夹爪50中的一个夹爪的结构和操作。应当理解，这种解释同样适用于以相同方式操作的其余夹爪50。
如图2所示，夹爪50包括主夹爪60和顶夹爪70。顶夹爪70用螺栓固定到主夹爪60并提供直接夹持工件20的夹持表面。基于不同工件20的特定夹持需求，可以将顶夹爪70切换成不同的顶夹爪70。如本文所使用的，即使当顶夹爪70未连接到该主夹爪60时，主夹爪60单独也是夹爪。
夹爪50(特别是主夹爪60)连接到卡盘30的主体80，用于在夹爪行程中沿着夹爪路径90(参见图3)相对于卡盘主体80在夹爪闭合方向(外径夹持卡盘朝轴线40；内径夹持卡盘远离轴线40)和夹爪张开方向(外径夹持卡盘远离轴线40；内径夹持卡盘朝轴线4)上做受限运动。在图示的实施例中，夹爪路径90垂直于旋转轴线40，但也可以替代地沿不同方向延伸。
如图2、图3和图6所示，卡盘30还包括用于每个夹爪50的滑块主体100。如图3所示，滑块主体100连接到卡盘主体80，用于沿着滑块主体路径110相对于卡盘主体80做受限运动。滑块主体100连接到夹爪50，用于沿着“滑块主体相对夹爪”路径120相对于夹爪50做受限运动。
如图2和图3所示，卡盘30还包括致动器主体130，该致动器主体130连接到卡盘主体80以在致动器行程上沿着致动器路径140相对于卡盘主体80做受限运动。在图示的实施例中，致动器路径140平行于轴线40并且垂直于夹爪路径90。致动器主体130连接到滑块主体100以沿着“滑块主体相对致动器主体”路径150相对于滑块主体100做受限运动。
如图2-图3所示，卡盘包括致动器160，该致动器160连接到致动器主体130以便在致动器行程上选择性地沿着致动器路径140驱动致动器主体130。在图示的实施例中，致动器160包括弹簧闭合、气动打开致动器130，其提供故障保护闭合/夹持位置。然而，根据替代实施例，可以使用任何其他合适的致动器(气动闭合、弹簧打开型致动器；液压致动器；基于手动拉杆的致动器等)。
如图3所示，“滑块主体相对致动器主体”路径150与致动器路径140形成角度A。根据各种实施例，角度A为：(1)大于5°、10°、15°和/或20°，(2)小于45°、40°、35°、30°和/或20°，和/或(3)在任何两个这样的值之间(例如，在5°和45°之间，在10°和40°之间，在15°和25°之间)。
如图3所示，夹爪路径120与致动器路径140形成角度J。根据各种实施例，角度J为：(1)大于20°、25°、30°、35°和/或40°，(2)小于75°、70°、65°、60°、55°和/或50°，和/或(3)在任何两个这样的值之间(例如，在20°和75°之间，在30°和55°之间，在40°和50°之间)。
如图3所示，滑块主体路径110与致动器路径140形成角度S。根据各种实施例，角度S为：(1)大于110°、115°、120°和/或125°，(2)小于165°、160°、155°、150°、145°和/或140°，和/或(3)在任何两个这样的值之间(例如，在20°和75°之间、在30°和55°之间、在40°和50°之间)。根据各种实施例，路径110、120彼此垂直(使得角度J减去角度S等于90°)，或者根据各种实施例，在彼此垂直的20°、15°、10°和/或5°范围内。
根据各种实施例，随着滑块主体路径110向夹爪50行进，滑块主体路径110远离轴线40倾斜。相反，“滑块主体相对夹爪”路径120和“滑块主体相对致动器主体”路径150两者都随着它们朝夹爪50前进而朝轴线40倾斜。
路径90、110、120、140、150通过在相应的部件50/60、80、100、130中的配合滑动表面来限定。在图示的实施例中，路径90、110、120、150由一个部件中的两侧面的导轨(或多个导轨)和另一个部件中的匹配突出部(或多个突出部)形成，使得突出部在导轨的两侧面内滑动。例如，卡盘主体80(参见图4)中的导轨80a与滑块主体100的突出部100b(参见图6)配合以限定路径110。主夹爪60的突出部60a(参见图3)与滑块主体100的导轨100a(参见图3、图6)配合以限定路径120。滑块主体100的突出部100c(参见图3、图6)与致动器主体130中的导轨130a(参见图3)配合以限定路径150。
在不偏离一个或多个实施例的范围的情况下，导轨80a、100a、130a和突出部60a、100b、100c的相对位置可以颠倒。此外，根据替代实施例，部件之间的替代类型的结构连接件可以用于限定路径90、110、120、150(例如，在两个相互连接的部件、线性轴承等之间提供1个曲线或线性平移自由度的任何结构连接件)。
在图示的实施例中，路径90、110、120、150是线性的。然而，根据替代实施例，路径90、110、120、150中的一个或多个可以具有其他形状(例如，简单曲线、复合曲线、由(一条或多条)曲线和(一条或多条)线的组合形成的路径等)。
卡盘30用于夹持工件20的操作在图3-图4中示出。当卡盘30打开时(如图3所示)，卡盘30可以通过致动致动器160而闭合，从而驱动致动器本体130沿着路径130远离夹爪50(即，如图3-图4所示的向左移动)。该运动使得致动器主体130相对于滑块主体100沿路径150(如图3所示的朝左并略微向上)滑动，这使得滑块主体100相对于卡盘主体80沿路径110(如图3所示的朝左下方)滑动，这使得夹爪50沿着路径120(如图3所示的朝右下方)相对于滑块主体100滑动，这使得夹爪50沿闭合方向(如图3所示的向下)沿路径90相对于卡盘主体80滑动，直到夹爪50(与围绕卡盘30间隔开的其他夹爪50(图3-图4中未示出)一起)接触并夹持工件20，如图4所示。
根据一个或多个非限制性实施例，滑块主体100的使用以及互连部件和路径90、110、120、150的组合提供了一种夹爪50闭合系统，该闭合系统(1)：(沿轴线40)轴向紧凑、(2)在致动器主体130运动和夹爪50闭合运动之间提供足够的机械优势，以在夹爪行程的任何点处牢固地夹持工件20，从而容纳具有各种直径的工件20，和/或(3)为夹爪50提供快速的闭合速度。如果致动器主体130沿大角度J路径120直接连接到夹爪50，则该大角度J可以提供良好的夹爪50关闭速度，但以减少夹持力为代价。如果致动器主体130沿小角度A路径150直接连接到夹爪50，则小角度A可以提供良好的夹持力，但是以夹爪50的闭合速度为代价。如果致动器主体130沿中间角度(例如，角度A和J之间的某个角度)直接连接到夹爪50，则卡盘30所需的路径长度将轴向延长。
根据各种实施例，可以选择角度A、J和S以优化提供(1)快速夹爪闭合速度、(2)高夹爪夹持力和/或(3)每条路径的轴向行程最小化的轴向紧凑型卡盘的竞争利益。
如图2-图5所示，卡盘30还可以包括配重系统，该配重系统被设计为部分地补偿当卡盘30旋转和离心力倾向于将卡爪50和滑块100径向向外推离轴线40时会发生的卡爪50外径夹持力的损失。如图2-图4所示，可以为每组夹爪50和滑块主体100设置配重170。配重170可枢转地连接到卡盘主体80以围绕配重轴线180进行相对枢转运动。如图3所示，当卡盘30打开时，配重的臂80a靠在滑块主体100上。如图4所示，当卡盘50关闭并且卡盘30静止(即，不围绕其轴线40旋转)时，配重170与滑块主体100间隔开。如图5所示，当卡盘30旋转并且卡盘50闭合时(例如，为了夹持工件20)，离心力使配重170径向向外(如图3-图5中所示的顺时针方向)枢转，这导致配重的臂170a接触并径向向内推压滑块主体100。向内的径向力趋于增大由夹爪50施加的夹持力，这至少部分地抵消了由趋向于径向向外推动滑块主体100和夹爪50的离心力引起的夹持力的损失。
虽然图示的卡盘30和夹爪50闭合机构被配置用于OD夹持。本领域的普通技术人员将理解，卡盘30的相对方向、角度或其他方面可以被调整以附加地和/或替代地提供ID夹持。
卡盘30是通孔卡盘，其包括沿轴线40延伸的轴向通孔190。通孔190使工件20坯料能够经由孔190(即，从如图3所示的左侧)馈送到机器10中并在卡盘30的另一轴向侧(如图3所示的卡盘30的右侧)进行加工(例如，车削、车加工、铣削)。
提供前述说明的实施例以说明各种实施例的结构和功能原理并且不意图限制。相反，本发明的原理旨在涵盖其任何和所有变化、变更和/或替换(例如，在随附的权利要求书的精神和范围内的任何变更)。

Claims (12)

1.一种用于夹持工件的卡盘，所述卡盘包括：
卡盘主体；
夹爪，所述夹爪连接到所述卡盘主体，用于沿着夹爪路径相对于所述卡盘主体在夹爪闭合方向和夹爪打开方向上做受限运动；
致动器主体，所述致动器主体连接到所述卡盘主体，用于沿着致动器路径相对于所述卡盘主体做受限运动；以及
滑块主体，所述滑块主体连接到所述卡盘主体，用于沿着滑块主体路径相对于所述卡盘主体做受限运动，
其中，所述滑块主体连接到所述夹爪，用于沿着“滑块主体相对夹爪”路径相对于所述夹爪做受限运动，并且
其中，所述滑块主体连接到所述致动器主体，用于沿着“滑块主体相对致动器主体”路径相对于所述致动器主体做受限运动。
2.如权利要求1所述的卡盘，其中：
在所述致动器路径与所述“滑块主体相对致动器主体”路径之间形成角度A；
在所述致动器路径与所述“滑块主体相对夹爪”路径之间形成角度J；并且
所述角度A小于所述角度J。
3.如权利要求2所述的卡盘，其中，在所述滑块主体路径与所述“滑块主体相对夹爪”路径之间形成角度S；并且
所述角度S在90°至135°之间。
4.如权利要求2所述的卡盘，其中，所述角度A在5°至40°之间。
5.如权利要求2所述的卡盘，其中，所述角度J在30°至60°之间。
6.如权利要求1所述的卡盘，其中：
所述夹爪包括第一夹爪，所述第一夹爪安装到所述卡盘主体，用于沿着第一夹爪路径相对于所述卡盘主体在第一夹爪闭合方向和第一夹爪打开方向上移动；
所述卡盘包括第二夹爪，所述第二夹爪安装到所述卡盘主体，用于沿着第二夹爪路径相对于所述卡盘主体在第二夹爪闭合方向和第二夹爪打开方向上移动；
所述滑块主体包括第一滑块主体；并且
所述卡盘包括第二滑块主体，所述第二滑块主体将所述第二夹爪与所述致动器主体相互连接，以便以沿着所述致动器路径的致动器主体运动与沿着所述夹爪路径的第二夹爪运动的比率将所述致动器主体在第一方向上的运动转换成所述第二夹爪在所述第二夹爪闭合方向上的运动。
7.如权利要求1所述的卡盘，其中，所述夹爪路径和所述致动器路径都是线性的。
8.如权利要求1所述的卡盘，其中，所述滑块主体路径、“滑块主体相对夹爪”路径和“滑块主体相对致动器主体”路径都是线性的。
9.如权利要求1所述的卡盘，其中，卡盘包括具有轴向通孔的通孔卡盘，所述轴向通孔被成形和构造成允许工件从所述卡盘的与所述夹爪所在位置相对的轴向侧馈送到所述卡盘中。
10.如权利要求1所述的卡盘，所述卡盘与工件加工机器相组合。
11.如权利要求10所述的组合，其中，所述工件加工机器是车床。
12.如权利要求1所述的卡盘，还包括配重，所述配重可移动地安装到所述卡盘主体，并相对于所述滑块主体设置为在所述卡盘旋转时向所述滑块主体施加径向向内的力。
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