高速電主軸自動(dòng)松鎖刀裝置的設(shè)計(jì)

李 然，王生懷，袁海兵

（湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北十堰442002）

隨著“中國(guó)制造2025”的不斷推進(jìn)，數(shù)控設(shè)備在裝備制造業(yè)中占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。高速電主軸是數(shù)控機(jī)床的核心模塊，其松鎖刀可靠性是企業(yè)高效率生產(chǎn)的重要保證。自動(dòng)松鎖刀裝置是高速電主軸的重要部件，換刀時(shí)間以及對(duì)刀具夾持的快速性、準(zhǔn)確性、牢靠性會(huì)對(duì)高速數(shù)控機(jī)床的加工質(zhì)量和加工效率產(chǎn)生較大的影響［1-2］。目前，高速電主軸較多采用蝶形彈簧式和液壓（氣壓）驅(qū)動(dòng)式松拉刀機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)刀具的夾緊或松開(kāi)。蝶形彈簧式松拉刀機(jī)構(gòu)［3-4］，拉刀力取決于蝶形彈簧，拉刀力不穩(wěn)定，對(duì)工件加工精度有一定的影響；液壓（氣壓）驅(qū)動(dòng)式松拉刀機(jī)構(gòu)［5-7］，電主軸動(dòng)平衡性好，夾緊力穩(wěn)定可靠，適用于擺動(dòng)銑頭等高轉(zhuǎn)速、大功率的電主軸中。但是，液壓缸的動(dòng)作需要依靠PLC（Programmable Logic Controller）和行程開(kāi)關(guān)控制，液壓缸只有接收到行程開(kāi)關(guān)或PLC的控制信號(hào)才可以執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作，這樣需要較長(zhǎng)的控制輔助時(shí)間，生產(chǎn)效率偏低。

基于伺服驅(qū)動(dòng)［8-9］和諧波減速傳動(dòng)［10-11］原理設(shè)計(jì)的高速電主軸自動(dòng)松鎖刀裝置，主要包括松鎖刀伺服電動(dòng)機(jī)、諧波減速機(jī)構(gòu)、松鎖刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和松鎖刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)，諧波減速機(jī)構(gòu)差齒傳動(dòng)帶動(dòng)松鎖刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)松鎖刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)松開(kāi)或鎖緊刀具。

1 自動(dòng)松鎖刀裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高速電主軸自動(dòng)松鎖刀裝置主要由松鎖刀伺服電動(dòng)機(jī)、諧波減速機(jī)構(gòu)、松鎖刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及松鎖刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。松鎖刀裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 松鎖刀裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of self-locking device

圖1 中沿A-A的剖視圖如圖2所示。

圖2 A-A剖視圖Fig.2 A-A section view

1.1 諧波減速機(jī)構(gòu)

由圖1～圖2可知，諧波減速機(jī)構(gòu)主要由高速軸、波發(fā)生器、薄壁軸承、柔性輪、剛性輪、低速軸、左體和右體等組成。高速軸固定在右體內(nèi)且與波發(fā)生器相連，在波發(fā)生器上相對(duì)其回轉(zhuǎn)中心均布有薄壁軸承，剛性輪固定在左、右體之間，在鋼性輪上加工有內(nèi)齒輪，柔性輪與低速軸連接，在柔性輪上加工有外齒輪，波發(fā)生器上的薄壁軸承與柔性輪接觸，在接觸部位柔性輪與剛性輪嚙合，非接觸部位柔性輪與剛性輪脫開(kāi)。剛性輪和柔性輪模數(shù)相同，齒數(shù)不同，剛性輪齒數(shù)Zg比柔性輪齒數(shù)Zr多n個(gè)齒，即Zg-Zr=n，當(dāng)波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)360°/n時(shí)，將迫使柔性輪相對(duì)于剛性輪位移一個(gè)齒距，低速軸將旋轉(zhuǎn)一定的角度。諧波減速機(jī)構(gòu)剛性輪固定時(shí)的傳動(dòng)比［12-13］為

合理設(shè)計(jì)剛性輪和柔性輪的齒數(shù)，在整個(gè)松鎖刀裝置體積基本不變的情況下，諧波減速機(jī)構(gòu)的減速比可以達(dá)到70～500。

1.2 松鎖刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

松鎖刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，松鎖刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由推力軸、支撐體、滑軸、彈簧、推板、滑套、滾珠絲杠以及絲杠螺母等組成。在諧波減速機(jī)構(gòu)的低速軸上加工有滾珠絲杠，滾珠絲杠與絲杠螺母相配合，絲杠螺母通過(guò)導(dǎo)向鍵與滑套相連接，絲杠螺母可以在滑套內(nèi)移動(dòng)，但不能轉(zhuǎn)動(dòng)；推板通過(guò)螺釘與滑軸固定連接，推板上方通過(guò)螺釘、彈簧連接在支撐體上，在彈簧力的作用下，滑軸有向右移動(dòng)的趨勢(shì)，使滑軸與推力軸分離。

圖3 松鎖刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.3 Self-locking driving mechanism

1.3 松鎖刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)

松鎖刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，松鎖刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由彈性卡爪、電主軸、蝶形彈簧以及拉桿等組成。由圖1和圖4可知，拉桿與推力軸固定連接，在拉桿的外圓柱上（電主軸的內(nèi)孔中）有序、反向安裝有若干蝶形彈簧，彈性卡爪安裝在拉桿左端的環(huán)槽以及電主軸的內(nèi)孔中，刀具安裝在彈性卡爪的內(nèi)孔中。

圖4 松鎖刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)Fig.4 Self-locking actuator

整個(gè)高速電主軸自動(dòng)松鎖刀裝置，由松鎖刀伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)諧波減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)松鎖刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)松鎖刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)夾緊或松開(kāi)刀具，其運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞的路線如圖5所示。

圖5 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞路線Fig.5 Movement and power transmission route

2 夾緊力的理論分析和計(jì)算

松鎖刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)刀具夾緊部分可以簡(jiǎn)化為如圖6所示的力學(xué)分析模型。

由圖6（a）可知，刀具可沿著彈性卡爪軸向移動(dòng)，當(dāng)不考慮彈性卡爪的彈性變形（即彈性卡爪與刀具之間不存在徑向間隙）時(shí)，根據(jù)對(duì)夾緊力的分析可知

式中：N為刀具對(duì)彈性卡爪的反作用力，N；Q為電主軸拉桿軸向拉緊力，N；α為彈性卡爪與電主軸的接觸角，（°）；β為彈性卡爪與電主軸的摩擦角，（°）。

由圖6（b）可知，由于彈性卡爪與刀具之間存在著徑向間隙Δ，則式（2）中應(yīng)減去彈性卡爪在夾緊刀具之前消除徑向間隙所需的彈性變形力R，則刀具夾緊力為

在計(jì)算彈性卡爪的彈性變形力時(shí)，將彈性卡爪等效為左端固定、右端受力R而產(chǎn)生變形Δ/2的懸臂梁，則彈性卡爪每一瓣夾爪變形所需的夾緊力為

圖6 夾緊力力學(xué)分析模型Fig.6 Mechanical analysis model of clamping force

由圖6（c）可知

式中：

將以上式子帶入式（5）可得

將式（6）帶入式（4）可得

對(duì)于多夾爪而言

將式（7）帶入式（3）得到刀具的夾緊力為

式中：n為彈性卡爪的夾爪瓣數(shù)；D為夾爪彈性部分外徑，mm；h為夾爪彈性部分厚度，mm；l為夾爪左端彈性部分到右端錐面中部的距離（懸臂長(zhǎng)度），mm；E為夾爪的彈性模量，GPa；Δ為彈性卡爪與刀具徑向間隙，mm；γ1為彈性卡爪每瓣夾爪所占扇形角的一半，rad。

由圖4可知，電主軸拉桿軸向拉緊力Q由蝶形彈簧提供：

滾珠絲杠副中絲杠轉(zhuǎn)角θ1和螺母位移x之間的關(guān)系為

將式（10）帶入式（9），并結(jié)合圖1中的傳動(dòng)關(guān)系可得

式中：m為蝶形彈簧數(shù)目；ks為蝶形彈簧剛度，N/m；x0為蝶形彈簧預(yù)壓縮量，mm；Ph為絲杠導(dǎo)程，mm；Zg為剛性輪齒數(shù)；Zr為柔性輪齒數(shù)；θ為伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角，rad。

將式（11）帶入式（8），可得刀具最終的夾緊力為

由式（12）可知，刀具夾緊力的影響因素主要體現(xiàn)在松鎖刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)以及中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，如諧波減速機(jī)構(gòu)的減速比、滾珠絲杠副的傳動(dòng)比及傳動(dòng)精度等，諧波減速機(jī)構(gòu)的減速比可以在70～500的范圍內(nèi)變化，刀具夾緊力范圍寬，可以達(dá)到5～115 kN。結(jié)合以上分析，可以根據(jù)實(shí)際加工所需的刀具夾緊力合理設(shè)計(jì)高速電主軸自動(dòng)松鎖刀裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于伺服驅(qū)動(dòng)和諧波減速傳動(dòng)原理，設(shè)計(jì)了高速電主軸自動(dòng)松鎖刀裝置，該裝置在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用了諧波減速機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠副等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)；通過(guò)建立刀具夾緊力數(shù)學(xué)模型，研究了刀具夾緊力的影響因素，主要體現(xiàn)在松鎖刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、諧波減速機(jī)構(gòu)減速比、滾珠絲杠副傳動(dòng)比及傳動(dòng)精度等。諧波減速機(jī)構(gòu)減速比可以在70～500的范圍內(nèi)變化，具有體積小、重量輕、慣性小、速比高、負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；自動(dòng)松鎖刀裝置刀具夾緊力范圍寬，達(dá)到5～115 kN，可廣泛應(yīng)用于加工中心、數(shù)控機(jī)床等高速機(jī)床中，使用柔性好；松鎖刀裝置采用開(kāi)環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)控制，不需要檢測(cè)裝置，控制輔助時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，加工精度高。