淺談數(shù)控雙齒輪消隙減速機(jī)的研制

摘要：研究設(shè)計的數(shù)控雙齒輪消隙減速機(jī)，通過采用脹套連接，并且同時調(diào)整消隙軸齒的相對轉(zhuǎn)角，使齒輪往相反方向轉(zhuǎn)動，達(dá)到高精度齒合，沒有反向的傳動間隙，從而達(dá)到消隙的目的。結(jié)合準(zhǔn)直儀的精確實(shí)時測量，對數(shù)控機(jī)床的定位精度進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明其消隙減速機(jī)的精度在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，說明消隙減速機(jī)的消隙效果還是很良好的，特別適用于重型、大型數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動，在實(shí)際工程中有廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;消隙機(jī)構(gòu);定位精度

1.引言

齒輪傳動是一種廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備的一種傳動方式，具有傳動效率高，運(yùn)作比較平穩(wěn)等特點(diǎn)。在一般的伺服機(jī)電系統(tǒng)中，普通齒輪的齒側(cè)間隙回轉(zhuǎn)誤差會造成伺服系統(tǒng)反應(yīng)滯后，降低數(shù)控機(jī)床的精度。特別是在大型、重型數(shù)控機(jī)床中，必須要提高齒輪的傳動精度，減小進(jìn)給傳動鏈的反向間隙，以此提高機(jī)床的坐標(biāo)定位精度。再者，需要加長進(jìn)給的傳動鏈，增大傳動扭矩，減小脈沖當(dāng)量。在齒輪傳動過程中，齒側(cè)間隙一直是傳動機(jī)構(gòu)正常工作的必要條件，但是由于齒側(cè)間隙的存在會導(dǎo)致齒輪反向運(yùn)動時死區(qū)的存在，降低系統(tǒng)的傳動精度，并影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不利于數(shù)控機(jī)床精細(xì)制作。因此在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計制造中，怎么消除齒側(cè)間隙具有重大的工程意義。

2.雙齒輪消隙的設(shè)計原理

數(shù)控機(jī)床雙齒輪的消隙結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用全閉環(huán)封閉系統(tǒng)。輸入軸2上的兩個斜齒輪的模數(shù)、齒數(shù)是相同的但是旋轉(zhuǎn)方向卻相反，軸1和軸3上的兩個齒輪數(shù)、模數(shù)等相關(guān)參數(shù)相同而旋轉(zhuǎn)方向相反，分別與輸入軸2上的兩個斜齒輪相互咬合。齒輪4和齒輪6參數(shù)相同，可以是直齒輪也可以是斜齒輪，但斜齒輪相對來說傳動更穩(wěn)定。

1，3-輸出軸;2-輸入軸;4，6-出齒輪;5-齒帶

圖1?雙齒輪消隙設(shè)計原理

進(jìn)給傳動由齒輪2輸入，再通過兩個斜齒輪分別傳遞給齒輪軸1和齒輪軸3，然后由齒輪4和齒輪6帶動齒輪帶5，從而帶動各個部件的移動。

如果在齒輪軸2施加軸向力F，那么軸2上的兩個斜齒輪將產(chǎn)生微量的軸向移動，從而帶動軸1和軸3轉(zhuǎn)動相反的微小角度，使齒輪4和齒輪6與緊貼齒輪帶，消除齒輪間隙。當(dāng)伺服電機(jī)帶動齒輪2軸正向轉(zhuǎn)動的時候，齒輪軸1和軸3向相反的方向轉(zhuǎn)動，此時，由齒輪4驅(qū)動齒輪帶向左移動，齒輪6空轉(zhuǎn)。反之，當(dāng)伺服電機(jī)帶動齒輪軸2反向轉(zhuǎn)動時，齒輪軸1和軸3同時會發(fā)生正向轉(zhuǎn)動，此時由齒輪6驅(qū)動齒輪帶向右移動，齒輪4空轉(zhuǎn)。由于齒輪4和齒輪6分別緊貼齒輪帶的相反面，坐標(biāo)運(yùn)動的部件需要反向進(jìn)給的時候，齒輪4和齒輪6會馬上驅(qū)動齒輪改換方向，從而在方向傳動時也不會產(chǎn)生齒輪間隙。

3.雙齒輪消隙的精度

對于滾珠絲杠來說，精度對數(shù)控機(jī)床的加工精細(xì)度有很大的影響，特別是在半閉環(huán)的加工系統(tǒng)中，定位的精度在很大程度上會受到滾珠絲杠的精度的影響。滾珠絲杠自身的螺距誤差是造成數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生偏差的主要原因。螺距誤差的計算公式如下：

（1）

式中：為滾珠絲杠的相鄰的兩個螺牙的螺距誤差;為滾珠絲杠螺紋的旋合長度內(nèi)的螺距累計?。

本文以采用德國的KRT含尼龍彈性體的聯(lián)軸器為例，在機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，尼龍彈性體的變形將會復(fù)印到滾珠絲杠上面，并且會對進(jìn)給系統(tǒng)的精度產(chǎn)生影響。彈性變形反映待進(jìn)給系統(tǒng)的執(zhí)行部件上的誤差計算公式如下：

（2）

式中：是撓性聯(lián)軸器尼龍彈性體的扭轉(zhuǎn)角度變形量;t為滾珠絲杠的螺距;為進(jìn)給誤差。

聯(lián)軸器尼龍彈性體的變形量非常小，而且尼龍彈性體的復(fù)映誤差和一般的滾珠絲杠螺距誤差相比，比其精確很多，不在一個數(shù)量級上。因此對于這種驅(qū)動結(jié)構(gòu)，可以忽略傳動精度的影響。

在數(shù)控機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，變速箱的齒輪消隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)良決定了和其連接的回轉(zhuǎn)臺的定位精度。通過實(shí)際測量數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺的定位精度，可以驗(yàn)證齒輪消隙效果的好壞。

數(shù)控機(jī)床的回轉(zhuǎn)工作臺的定位精度是這樣定義的：在來或者回兩個方向的最大值與最小值的差值。而重復(fù)定位精度是這樣定義的：在來或者回的兩個方向上最大的重復(fù)定位精度6sj。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的實(shí)測結(jié)果，數(shù)控機(jī)床在順時針旋轉(zhuǎn)時，在回轉(zhuǎn)臺分度值150°下測得的平均位置偏差為+3sj，最大值為5.842″，在回轉(zhuǎn)臺分度值360°下測得的平均位置偏差為-3sj，最小值為-1.043″。從而可以得到回轉(zhuǎn)臺順時針旋轉(zhuǎn)時的定位精度為6.885″。在回轉(zhuǎn)臺分度值為120°的情況下，得到重復(fù)定位的精度6sj的最大值為3.286″，所以回轉(zhuǎn)臺的重復(fù)定位精度為3.286″。通過測試驗(yàn)證了此雙齒輪消隙減速機(jī)的消隙效果良好，能達(dá)到工程需要的定位精度和重復(fù)定位精度。

4.結(jié)論

本文通過設(shè)計的數(shù)控機(jī)床雙齒輪消隙減速機(jī)結(jié)構(gòu)，保證了消隙結(jié)構(gòu)有很大的可調(diào)性，并且機(jī)床結(jié)構(gòu)在調(diào)整安裝方面都很方便。而且還提高了數(shù)控機(jī)床精確定位的穩(wěn)定性，通過測試試驗(yàn)證明了機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺的定位精度在規(guī)范要求的去殼范圍之內(nèi)。設(shè)計的消隙減速機(jī)與齒條匹配，用閉環(huán)控制，并且機(jī)床的定位精度高，定位穩(wěn)定，可用于重型、大型機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動，使用效果良好，對于數(shù)控機(jī)床的齒輪消隙有很大幫助，同時設(shè)計的數(shù)控機(jī)床齒輪消隙結(jié)構(gòu)為大型機(jī)床的消隙結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了依據(jù)。

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作者簡介：

徐言（1993-），男，現(xiàn)為長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院本科學(xué)生。