淺談數(shù)控雙齒輪消隙減速機(jī)的研制

摘要：研究設(shè)計(jì)的數(shù)控雙齒輪消隙減速機(jī)，通過(guò)采用脹套連接，并且同時(shí)調(diào)整消隙軸齒的相對(duì)轉(zhuǎn)角，使齒輪往相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到高精度齒合，沒(méi)有反向的傳動(dòng)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(shí)測(cè)量，對(duì)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(shuō)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(dòng)，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(dòng)是一種廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備的一種傳動(dòng)方式，具有傳動(dòng)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(huì)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(dòng)精度，減小進(jìn)給傳動(dòng)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(zhǎng)進(jìn)給的傳動(dòng)鏈，增大傳動(dòng)扭矩，減小脈沖當(dāng)量。在齒輪傳動(dòng)過(guò)程中，齒側(cè)間隙一直是傳動(dòng)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(huì)導(dǎo)致齒輪反向運(yùn)動(dòng)時(shí)死區(qū)的存在，降低系統(tǒng)的傳動(dòng)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(jì)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(jì)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(gè)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(gè)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(gè)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(duì)來(lái)說(shuō)傳動(dòng)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(jì)原理

進(jìn)給傳動(dòng)由齒輪2輸入，再通過(guò)兩個(gè)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(dòng)齒輪帶5，從而帶動(dòng)各個(gè)部件的移動(dòng)。

如果在齒輪軸2施加軸向力F，那么軸2上的兩個(gè)斜齒輪將產(chǎn)生微量的軸向移動(dòng)，從而帶動(dòng)軸1和軸3轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)齒輪2軸正向轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，齒輪軸1和軸3向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，由齒輪4驅(qū)動(dòng)齒輪帶向左移動(dòng)，齒輪6空轉(zhuǎn)。反之，當(dāng)伺服電機(jī)帶動(dòng)齒輪軸2反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪軸1和軸3同時(shí)會(huì)發(fā)生正向轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)由齒輪6驅(qū)動(dòng)齒輪帶向右移動(dòng)，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(dòng)的部件需要反向進(jìn)給的時(shí)候，齒輪4和齒輪6會(huì)馬上驅(qū)動(dòng)齒輪改換方向，從而在方向傳動(dòng)時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生齒輪間隙。

3.雙齒輪消隙的精度

對(duì)于滾珠絲杠來(lái)說(shuō)，精度對(duì)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(huì)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(jì)算公式如下：

（1）

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

本文以采用德國(guó)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(guò)程中，尼龍彈性體的變形將會(huì)復(fù)印到滾珠絲杠上面，并且會(huì)對(duì)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(jì)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(gè)數(shù)量級(jí)上。因此對(duì)于這種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以忽略傳動(dòng)精度的影響。

在數(shù)控機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(tái)的定位精度。通過(guò)實(shí)際測(cè)量數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)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(tái)的定位精度是這樣定義的：在來(lái)或者回兩個(gè)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(lái)或者回的兩個(gè)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(cè)結(jié)果，數(shù)控機(jī)床在順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，在回轉(zhuǎn)臺(tái)分度值150°下測(cè)得的平均位置偏差為+3sj，最大值為5.842″，在回轉(zhuǎn)臺(tái)分度值360°下測(cè)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(tái)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的定位精度為6.885″。在回轉(zhuǎn)臺(tái)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(tái)的重復(fù)定位精度為3.286″。通過(guò)測(cè)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(guò)設(shè)計(jì)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(guò)測(cè)試試驗(yàn)證明了機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的定位精度在規(guī)范要求的去殼范圍之內(nèi)。設(shè)計(jì)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(dòng)，使用效果良好，對(duì)于數(shù)控機(jī)床的齒輪消隙有很大幫助，同時(shí)設(shè)計(jì)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(jì)提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

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