1、机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：高速电主轴定比传动自动松锁刀系统研究张晓洋，李然，赵国华，王生怀，李书涵（湖北汽车工业学院 机械工程学院，湖北 十堰 442002）0引言自动松锁刀系统是电主轴的关键部件，广泛应用于加工中心、数控机床的高速电主轴中，系统的可靠性是提高加工效率和精度的重要保证。自动松锁刀系统的研究对于解决高速电主轴拉刀力低、刀具夹紧后无法松开等问题具有重要的理论和实际价值。白颖等1基于TRIZ理论，对数控铣镗床主轴的松拉刀系统进行了分析与优化；崔立等2基于“主轴拉刀机构”双转子系统模型，对紧凑型高速电主轴拉刀机构的静动态特性进行
2、了分析与优化；李俊江3以DM500型卧式加工中心为例，对主轴拉刀系统的优化方案进行了探讨；贺奕4以法国优龙KX50机床CYTEC电主轴为例，对电主轴松拉刀故障产生的原因和处理方法进行了研究；张嘉珺5基于D-S证据理论对电主轴拉刀机构试验系统进行了设计及状态监测方法的研究；杨庆东等6基于PLC对电主轴自动松拉刀机构的测试系统进行了深入研究；王志琼等7基于数据包络法和风险优先数分析法，对松拉刀机构的故障模式进行了风险分析；郭翠娟等8对加工中心主轴自动换刀装置的拉刀机构的拉刀力及增力机构的放大系数进行了深入研究。1系统整体结构高速电主轴定比传动自动松锁刀系统主要包括机械结构和伺服控制系统两部分，系统
3、整体结构如图1所示。机械结构主要由伺服电动机、中间传动机构及松锁刀执行机构等组成，由伺服电动机通过中间传动机构带动拉杆直线运动，进而带动卡爪夹紧或松开刀具。伺服控制系统主要由PLC控制器、伺服驱动器、转换电路、信号放大器、无线式压力传感器及触摸屏人机交互模块等组成，通过触摸屏人机交互模块将所需夹紧力输入到PLC控制器，由PLC控制器输出脉冲信号来驱动伺服电动机转动，通过机械结构夹紧刀具；由无线式压力传感器实时采集刀具夹紧力，经过信号放大及转换后传送到PLC控制器，PLC控制器进行信号处理，通过伺服驱动器输出脉冲信号增量控制伺服电动机转动，实现伺服控制系统闭环控制。2夹紧力数学模型研究松锁刀执行
4、机构刀具夹紧部分的结构如图2所示。由图2可知，刀具沿着弹性卡爪轴向移动，由于弹性卡爪和刀具之间为间隙配合，间隙大小为，根据对夹紧摘要：为了解决高速电主轴自动松锁刀系统夹紧力不恒定的问题，基于弹性理论，对刀具夹紧力数学模型进行了深入研究，确定了影响刀具夹紧力恒定的主要因素；基于定比传动原理，设计了一种能够实现定比传动的谐波行星齿轮减速结构，利用行星齿轮结构代替原有的薄壁轴承和波发生器，解决了滑差问题；基于PLC控制理论，对伺服控制系统进行了研究，改善了由于柔轮弹性变形导致的中间传动机构传动精度不高的问题，实现了闭环控制刀具夹紧力恒定。该系统具有参数设定输入、数据显示输出、刀具状态监测等功能。关键
5、词：定比传动；伺服控制；PLC；结构设计；电主轴中图分类号:TH 122；TP 273文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08001804Research on Automatic Loosening and Locking Tool Systemof High-speed Electric Spindle Constant Ratio TransmissionZHANG Xiaoyang,LI Ran,ZHAO Guohua,WANG Shenghuai,LI Shuhan(School ofMechanical Engineering,Hubei UniversityofA
6、utomotive Technology,Shiyan 442002,China)Abstract:In order to solve the problem that the clamping force of the high-speed electric spindle automatic loosening andlocking tool system is not constant,based on the theory of elasticity,the mathematical model of the tool clamping force isstudied,and the
7、main factors affecting the constant tool clamping force are determined.Based on the principle of fixed-ratio transmission,a harmonic planetary gear reduction structure capable of realizing constant-ratio transmission isdesigned,and the planetary gear structure is used to replace the original thin-wa
8、lled bearing and wave generator,therebysolving the problem of slippage.Based on the PLC control theory,the servo control system is studied,which can solve theproblem of low transmission precision of the intermediate transmission mechanism caused by the elastic deformation of theflexspline,and realiz
9、e the constant closed-loop control of the tool clamping force.The system has the functions ofparameter setting input,data display output,tool status monitoring and so on.Keywords:constant ratio transmission;servo control;PLC;structural design;electric spindle基金项目：国家自然科学基金项目（51675167）；湖北省教育厅科研项目（Q202
10、01806）18机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期力的分析可得F=Qtan（+）nR1。（1）式中：F为刀具对弹性卡爪反作用力，N；Q为拉杆轴向拉紧力，N；为弹性卡爪 与 电 主 轴 接 触角，（）；为弹性卡爪 与 电 主 轴 摩 擦角，（）；R1为每一瓣夹爪的弹性变形力，N。由于弹性卡爪中每一瓣夹爪的弹性变形力相同，故只需分析其中一瓣夹爪的弹性变形力即可。在计算弹性卡爪的弹性变形时，将弹性卡爪等效为左端固定、右端受力nR1而产生/2形变的悬臂梁，其力学分析模型如图3所示。由弹性理论9-10可知，弹性卡爪每一瓣夹爪的变形阻力计算公式为R1=3E
11、IZ1/（2l3）。（2）由图3可知，截面对Z0轴惯性矩计算公式为IZ0=d41d42128（90+sin 2）。（3）根据平行轴定理，截面对Z1轴的惯性矩计算公式为IZ1=IZ0Ay2s。（4）其中，A=（d21d22）720。（5）将式（3）、式（5）代入式（4）可得IZ1=（d21d22）16d21+d228（90+sin 2）y2s45。（6）由于弹性卡爪每个夹爪之间开有通槽，相邻夹爪开槽宽度e所占外圆弧度计算公式为=arcsin（e/d1）。（7）则夹爪扇形角计算公式为2=（2-n）/n。（8）将式（7）、式（8）代入式（6）可得IZ1=（d21d22）16n12arcsin（ed1
12、）45（d21+d2216y2s）+d21+d228sin 2narcsin（ed1）。（9）将式（9）代入式（2）可得R13E（d21-d22）32l3n12arcsin（ed1）45（d21+d2216y2s）d21+d228sin 2narcsin（ed1）。（10）式中：E为夹爪弹性模量，GPa；为弹性卡爪和刀具径向间隙，mm；l为夹爪左端弹性部分到右端锥面中部的长度（悬臂长度），mm；d1为夹爪最大外径，mm；d2为夹爪最小内径，mm；n为夹爪个数；e为相邻夹爪开槽宽度，mm；ys为夹爪重心到弹性卡爪回转中心的距离，mm。拉杆轴向拉紧力Q由蝶形弹簧提供，计算公式为Q=mks（x0+x
13、）。（11）滚珠丝杠副中丝杠转角1和螺母位移x之间的关系为x=Ph1/（2）。（12）将式（12）代入式（11），并结合图1中的传动关系可得Q=mksx0+Ph（ZgZr）/（2Zr）。（13）式中：m为蝶形弹簧数目；ks为蝶形弹簧刚度，N/m；x0为蝶形弹簧预压缩量，mm；Ph为丝杠导程，mm；Zg为刚性轮齿数；Zr为柔性轮齿数；为伺服电动机转角，rad。将式（10）、式（13）代入式（1）可得刀具最终的夹紧力计算公式为F=mksx0+Ph2（ZgZr）Zrtan（+）3nE（d21d22）32l3n12arcsin（ed1）45（d21+d2216y2s）+d21+d228sin 2nar
14、csin（ed1）。（14）由式（14）可知，影响刀具夹紧力恒定的因素主要体现在松锁刀执行机构的结构及中间传动结构，如谐波减速机构的减速比、滚珠丝杠副的传动精度等。图1系统整体结构图3弹性卡爪力学分析模型ysZ1Z1ysod2d1Z0Z0 xl图2刀具夹紧部分结构简图2电主轴弹性卡爪刀具/2QNN19机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：输入点实现功能说明X0急停拍下急停按钮立即停转X1夹紧伺服电动机正转，卡爪夹紧刀具，松开即停X2松开伺服电动机反转，卡爪松开刀具，松开即停X3复位伺服电动机回归零点，零点状态为卡爪松开状态X4夹紧力输入由触摸屏上输
15、入夹紧力并确定输入X5夹紧力显示由压力传感器输入信号显示夹紧力大小Y0夹紧输出点电动机正转输出点Y1松开输出点电动机反转输出点表1PLC输入、输出端口图4谐波行星齿轮减速器结构滚珠丝杠柔轮BBAA刚轮行星轮ABB伺服电动机太阳轮A行星架图5触摸屏人机交互界面图6无线式压力传感器结构应力环电阻应变片线路板图7电阻应变片布局（应力环圆周方向展开）4530901502102703303定比传动谐波减速器设计由图1可知，中间传动机构主要由滚珠丝杠副和谐波减速器等组成，滚珠丝杠副的传动精度和谐波减速器的传动比会影响刀具夹紧力恒定。目前，通用的谐波减速器采用薄壁轴承结构，由于薄壁轴承外圈与柔轮内壁存在一定
16、的滑差、滚珠和柔轮内壁不是完全的纯滚动，会造成传动比不恒定。针对上述传动比不恒定的问题，基于定比传动原理11-12，设计了一种具有确定传动比的谐波行星齿轮减速器，从而改善了通用谐波减速器传动比不恒定的 问 题，其结构如图4所示。本设计中的谐波行星齿轮减速器与通用结构的主要区别为：采用行星齿轮结构代替原有的薄壁轴承和波发生器，解决了滑差问题，保证了谐波行星齿轮减速器恒定的传动比。由图4可知，谐波行星齿轮减速器主要由行星轮、太阳轮、行星架、柔轮和刚轮等组成，行星轮、太阳轮、行星架组成行星齿轮结构，柔轮与滚珠丝杠连接，柔轮上加工有内、外齿，柔轮外齿与刚轮啮合，柔轮内齿与3个行星轮啮合，行星轮与太阳轮啮合，太阳轮通过轴与伺服电动机连接。此外，滚珠丝杠副是中间传动机构的重要组成部分，为了提高中间传动机构的传动精度，需要考虑滚珠丝杠副的轴向间隙误差补偿问题，本文采用齿差调隙式13-14的轴向间隙调整方法消除滚珠丝杠副的轴向间隙。4伺服控制系统研究由于谐波行星齿轮减速器中柔轮为非金属材料，在传动过程中具有一定的弹性变形，会对中间传动机构的传动精度产生一定的影响，进而影响刀具夹紧力恒定。基于PLC控制
