一種雙級消隙的高精度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及使用方法

李敬偉 盧傳杰 趙海院 羅 蕊

（德州德隆（集團(tuán)）機(jī)床有限責(zé)任公司，德州 253003）

造紙機(jī)械設(shè)備上的真空伏輥、壓榨輥等輥體為大型環(huán)形圓柱形工件，輥體直徑在500～2 000 mm，長度約8 000 mm，工件質(zhì)量達(dá)40 t。為完成圓柱表面數(shù)以萬計(jì)徑向深孔的加工，需要工件重復(fù)旋轉(zhuǎn)分度。在實(shí)現(xiàn)工件高精度旋轉(zhuǎn)分度時(shí)，機(jī)床的主軸及其傳動(dòng)環(huán)節(jié)必須具有高剛性、高精度以及間隙小等特點(diǎn)，才能實(shí)現(xiàn)工件的高精度旋轉(zhuǎn)分度精度，特別是傳動(dòng)環(huán)節(jié)的剛性、精度和間隙等環(huán)節(jié)必須滿足上述要求。

1 傳統(tǒng)常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

在數(shù)控機(jī)床上，傳統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常采用普通多級傳動(dòng)的齒輪變速箱[1]。多級串聯(lián)的蝸輪蝸桿減速機(jī)或精密行星輪減速機(jī)等常規(guī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，上述結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)環(huán)節(jié)多、傳動(dòng)間隙大、傳動(dòng)剛性差，尤其是大傳動(dòng)比降速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中均由多級多段組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。例如，減速比1 000:1 的精密行星輪減速機(jī)由4 段（8:1、5:1、5:1、5:1）傳動(dòng)鏈組成，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的齒輪模數(shù)m=3，實(shí)現(xiàn)大扭矩大傳動(dòng)比降速傳動(dòng)時(shí)，剛性嚴(yán)重不足，且每段都存在不可消除的間隙，4 段累積的角度誤差及間隙非常大，達(dá)到了20 弧分。在Φ1 600 mm 圓周上，折算成弧長的誤差為4.65 mm，無法實(shí)現(xiàn)高精度旋轉(zhuǎn)分度傳動(dòng)，只能實(shí)現(xiàn)速度傳動(dòng)。如果采用其他高剛性、高精度的可消隙的分度機(jī)構(gòu)，成本昂貴，大大增加了機(jī)床的成本[2]。對于要求實(shí)現(xiàn)高精度旋轉(zhuǎn)分度，對旋轉(zhuǎn)速度要求不高的機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用簡易的分度機(jī)構(gòu)既能降低成本又能達(dá)到使用要求[3]。因此，在實(shí)現(xiàn)基本功能和要求的前提下，采用更合理、更經(jīng)濟(jì)有效的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尤為重要。

2 新型的雙級消隙蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

為了解決臥式機(jī)床的大傳動(dòng)比降速機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)分度精度不高的缺陷，設(shè)計(jì)了一種新型雙級均可消隙的蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)直接連接機(jī)床的主軸，可實(shí)現(xiàn)臥式機(jī)床加工圓柱形工件的高精度旋轉(zhuǎn)分度，同時(shí)根據(jù)實(shí)際加工精度要求和變化隨時(shí)調(diào)整傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在的間隙，以實(shí)現(xiàn)更高精度的加工。

本機(jī)構(gòu)結(jié)合重型圓柱形環(huán)形工件加工時(shí)所需要的旋轉(zhuǎn)精度要求，采用大傳動(dòng)比的兩級均可消除間隙的蝸輪蝸桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)與機(jī)床主軸直接連接的方式，保證工件的低速平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)分度，該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用見圖1。該結(jié)構(gòu)的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)分度通過機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而帶動(dòng)機(jī)床的主軸、卡盤及工件的旋轉(zhuǎn)[4]。

圖1 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用示意圖

該傳動(dòng)結(jié)構(gòu)通過兩級傳動(dòng)鏈，最大程度降低了由于大傳動(dòng)比降速傳動(dòng)間隙的存在給精度造成的影響。實(shí)際工況如下：機(jī)床最大承載40 t，主軸額定轉(zhuǎn)速1 r·min-1，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)減速比2 000:1，理論額定輸出扭矩T=20 000 N·m。根據(jù)工況所需要輸出的扭矩、安裝結(jié)構(gòu)等要求，采用兩級均可消隙的蝸輪蝸桿傳動(dòng)降速結(jié)構(gòu)。第一級輸入端減速比40:1，采用變螺距蝸桿驅(qū)動(dòng)蝸輪，變螺距蝸桿可以消除與蝸輪之間的間隙，提高傳動(dòng)精度。第二級輸出端減速比50:1，第一級的蝸輪直接安裝在二級傳動(dòng)的蝸桿上固定一起。第一級傳動(dòng)和第二級的蝸桿安裝在同一箱體內(nèi)，二級輸出蝸輪直接安裝在機(jī)床主軸上組成蝸輪蝸桿減速傳動(dòng)鏈，驅(qū)動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)高精度旋轉(zhuǎn)分度，詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 該機(jī)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)調(diào)整方法

3.1 技術(shù)特點(diǎn)

（1）該結(jié)構(gòu)為兩級大傳動(dòng)比降速蝸輪蝸桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，一級輸入端傳動(dòng)比為50:1，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖3，二級輸出端傳動(dòng)比為40:1，總傳動(dòng)比為2 000:1，實(shí)現(xiàn)了大傳動(dòng)比降速傳動(dòng)。

圖3 第一級輸入端結(jié)構(gòu)示意圖

（2）該結(jié)構(gòu)在安裝空間有限的條件下可以實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比降速的兩級傳動(dòng)功能，最大程度減少了傳動(dòng)環(huán)節(jié)和傳動(dòng)間隙，提高了傳動(dòng)精度。

（3）該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩級消隙的蝸輪蝸桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)分度精度高精度。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，機(jī)床裝在20 t 工件的情況下，分度定位精度達(dá)到18″（直徑1 200 mm 的立式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺空載的情況下定位精度的定位精度為20″，為單級蝸輪蝸桿減速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)）。

（4）該結(jié)構(gòu)由于是兩級大傳動(dòng)比降速，剛性大，可以輸出大扭矩，額定輸出扭矩為2 N·m，最大扭矩達(dá)到50 000 N·m，也可以頻繁旋轉(zhuǎn)啟停，啟動(dòng)平穩(wěn)，自鎖性好。

3.2 結(jié)構(gòu)調(diào)整方法

該傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為兩級大傳動(dòng)比蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩級均可消隙。

第一級輸入端由變螺距蝸桿和蝸輪組成，蝸桿通過圓錐滾子軸承和滾針軸承安裝固定在箱體上，伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器控制蝸桿和蝸輪的旋轉(zhuǎn)。由于采用的是變螺距蝸桿，可以實(shí)現(xiàn)蝸桿位置的調(diào)整，改變蝸輪與蝸桿之間的間隙大小，調(diào)整結(jié)構(gòu)見圖3。當(dāng)蝸輪與蝸桿之間的間隙變大時(shí)，調(diào)整調(diào)整螺釘帶動(dòng)軸承套和變螺距蝸桿整體向外移動(dòng)，從而減小一級輸入結(jié)構(gòu)存在的間隙。

第二級輸出端由二級蝸桿和蝸輪組成，蝸輪直接安裝在機(jī)床的主軸上，一級蝸輪與二級蝸桿通過鍵連接形成一個(gè)整體，安裝在傳動(dòng)裝置的箱體上。二級輸出也可以實(shí)現(xiàn)間隙的調(diào)整，調(diào)整結(jié)構(gòu)見圖4。通過調(diào)整螺栓和一級傳動(dòng)箱體上的螺紋孔，改變第一級輸入端的整體上下位置，調(diào)整輸出端二級蝸輪與一級蝸桿之間的間隙。間隙調(diào)整到一定程度后，用螺母鎖緊螺栓定位。

圖4 第二級輸出端結(jié)構(gòu)示意圖

上述兩種間隙調(diào)整方法均可改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中存在的間隙，改變?nèi)魏我患壍拈g隙均可改變機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)的精度。

4 結(jié)語

本文介紹了一種新型大傳動(dòng)比雙級均可消隙的蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。該傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的兩級間隙調(diào)整方法均可改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中存在的間隙，根據(jù)精度需求隨時(shí)調(diào)整兩級間隙。該傳動(dòng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、間隙調(diào)整容易，既解決了重型工件旋轉(zhuǎn)分度不高的難題，又大大節(jié)約了制造成本。但是，該結(jié)構(gòu)在保證高精度的前提下不適合高速旋轉(zhuǎn)，容易產(chǎn)生熱量。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)采用半閉環(huán)控制方式，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量20 t 工件，機(jī)床的定位精度達(dá)到了0.005°18″，精度高。