浅谈数控双齿轮消隙减速机的研制

摘要：研究设计的数控双齿轮消隙减速机，通过采用胀套连接，并且同时调整消隙轴齿的相对转角，使齿轮往相反方向转动，达到高精度齿合，没有反向的传动间隙，从而达到消隙的目的。结合准直仪的精确实时测量，对数控机床的定位精度进行分析，分析結果表明其消隙减速机的精度在规范要求的范围内，说明消隙减速机的消隙效果还是很良好的，特别适用于重型、大型数控机床的进给传动，在实际工程中有广泛应用。

关键词：数控机床;消隙机构;定位精度

1.引言

齿轮传动是一种广泛应用于各种机械设备的一种传动方式，具有传动效率高，运作比较平稳等特点。在一般的伺服机电系统中，普通齿轮的齿侧间隙回转误差会造成伺服系统反应滞后，降低数控机床的精度。特别是在大型、重型数控机床中，必须要提高齿轮的传动精度，减小进给传动链的反向间隙，以此提高机床的坐标定位精度。再者，需要加长进给的传动链，增大传动扭矩，减小脉冲当量。在齿轮传动过程中，齿侧间隙一直是传动机构正常工作的必要条件，但是由于齿侧间隙的存在会导致齿轮反向运动时死区的存在，降低系统的传动精度，并影响系统的稳定性，不利于数控机床精细制作。因此在数控机床的设计制造中，怎么消除齿侧间隙具有重大的工程意义。

2.双齿轮消隙的设计原理

数控机床双齿轮的消隙结构如图1所示，采用全闭环封闭系统。输入轴2上的两个斜齿轮的模数、齿数是相同的但是旋转方向却相反，轴1和轴3上的两个齿轮数、模数等相关参数相同而旋转方向相反，分别与输入轴2上的两个斜齿轮相互咬合。齿轮4和齿轮6参数相同，可以是直齿轮也可以是斜齿轮，但斜齿轮相对来说传动更稳定。

1，3-输出轴;2-输入轴;4，6-出齿轮;5-齿带

图1 双齿轮消隙设计原理

进给传动由齿轮2输入，再通过两个斜齿轮分别传递给齿轮轴1和齿轮轴3，然后由齿轮4和齿轮6带动齿轮带5，从而带动各个部件的移动。

如果在齿轮轴2施加轴向力F，那么轴2上的两个斜齿轮将产生微量的轴向移动，从而带动轴1和轴3转动相反的微小角度，使齿轮4和齿轮6与紧贴齿轮带，消除齿轮间隙。当伺服电机带动齿轮2轴正向转动的时候，齿轮轴1和轴3向相反的方向转动，此时，由齿轮4驱动齿轮带向左移动，齿轮6空转。反之，当伺服电机带动齿轮轴2反向转动时，齿轮轴1和轴3同时会发生正向转动，此时由齿轮6驱动齿轮带向右移动，齿轮4空转。由于齿轮4和齿轮6分别紧贴齿轮带的相反面，坐标运动的部件需要反向进给的时候，齿轮4和齿轮6会马上驱动齿轮改换方向，从而在方向传动时也不会产生齿轮间隙。

3.双齿轮消隙的精度

对于滚珠丝杠来说，精度对数控机床的加工精细度有很大的影响，特别是在半闭环的加工系统中，定位的精度在很大程度上会受到滚珠丝杠的精度的影响。滚珠丝杠自身的螺距误差是造成数控机床产生偏差的主要原因。螺距误差的计算公式如下：

（1）

式中：为滚珠丝杠的相邻的两个螺牙的螺距误差;为滚珠丝杠螺纹的旋合长度内的螺距累计 。

本文以采用德国的KRT含尼龙弹性体的联轴器为例，在机床的运转过程中，尼龙弹性体的变形将会复印到滚珠丝杠上面，并且会对进给系统的精度产生影响。弹性变形反映待进给系统的执行部件上的误差计算公式如下：

（2）

式中：是挠性联轴器尼龙弹性体的扭转角度变形量;t为滚珠丝杠的螺距;为进给误差。

联轴器尼龙弹性体的变形量非常小，而且尼龙弹性体的复映误差和一般的滚珠丝杠螺距误差相比，比其精确很多，不在一个数量级上。因此对于这种驱动结构，可以忽略传动精度的影响。

在数控机床的运转过程中，变速箱的齿轮消隙结构的优良决定了和其连接的回转台的定位精度。通过实际测量数控机床回转工作台的定位精度，可以验证齿轮消隙效果的好坏。

数控机床的回转工作台的定位精度是这样定义的：在来或者回两个方向的最大值与最小值的差值。而重复定位精度是这样定义的：在来或者回的两个方向上最大的重复定位精度6sj。根据数控机床的实测结果，数控机床在顺时针旋转时，在回转台分度值150°下测得的平均位置偏差为+3sj，最大值为5.842″，在回转台分度值360°下测得的平均位置偏差为-3sj，最小值为-1.043″。从而可以得到回转台顺时针旋转时的定位精度为6.885″。在回转台分度值为120°的情况下，得到重复定位的精度6sj的最大值为3.286″，所以回转台的重复定位精度为3.286″。通过测试验证了此双齿轮消隙减速机的消隙效果良好，能达到工程需要的定位精度和重复定位精度。

4.结论

本文通过设计的数控机床双齿轮消隙减速机结构，保证了消隙结构有很大的可调性，并且机床结构在调整安装方面都很方便。而且还提高了数控机床精确定位的稳定性，通过测试试验证明了机床回转工作台的定位精度在规范要求的去壳范围之内。设计的消隙减速机与齿条匹配，用闭环控制，并且机床的定位精度高，定位稳定，可用于重型、大型机床的进给驱动，使用效果良好，对于数控机床的齿轮消隙有很大帮助，同时设计的数控机床齿轮消隙结构为大型机床的消隙结构设计提供了依据。

参考文献：

[1]钟文斌，田贵磊，肖圣龙.双齿轮消隙结构的研制与分析[J].机械设计与制造，2014（4）

[2]乔保中.数控机床进给系统传动消隙结构分析[J].现代制造技术与装备，2010（1）

作者简介：

徐言（1993-），男，现为长江大学机械工程学院本科学生。