一种基于高精度蜗轮蜗杆的消隙机构设计及其传动性能的效果分析

高鹏 孙影

摘要：对于重型圆柱形态工件，其在旋转分度期间，因工件旋转自身重量形成的惯性以及传动机构内的间隙，使得工件旋转分度精度不佳。对于该种情况，设计一种基于高精度蜗轮蜗杆的消隙机构，并分析其传动性能。

关键词：传动性能;消隙机构;蜗轮蜗杆;高精度;结构调整

在机器设备上，压榨辊以及真空伏辊等均是大型圆柱形态工件，其直径通常在500mm至2000mm之间，长度一般是8000mm，另外质量可达到40吨[1]。为加工圆柱表面大量径向深孔，需要工件重复旋转分度。在达到工件高精度旋转分度时，要求机床主轴和传动环节需要存在精度高、刚性高、间隙小等特点，尤其对于传动环节而言，其在间隙、精度以及刚性等方面需要满足以上需求[2]。为此，本研究在高精度蜗轮蜗杆基础上设计出一种消隙机构，并检测其传动性能，现针对研究相关内容作出以下汇报。

一、常规传动机构

常规传动机构主要包含多极串联的精密行星轮减速机、蜗轮蜗杆减速机等，其一般使用普通多级传动齿轮变速箱实现传动，以上结构传动环节较多，并且传动刚性差、传动间隙较大，特别是大传动比降速传动机构内，均是多级多段组成的传动机构[3]。比如对于减速比是1000：1的精密行星轮减速机而言，其主要分成四个部分传动链，依次是8：1、5：1、5：1、5：1，在传动机构内齿轮模数是3，当进行大扭矩大传动比降速传动时，在刚性方面明显缺少，同时每段均有不可消除的间隙存在，将四个部分的间隙进行累积，间隙和角度误差较大，可达到20弧分，无法达到高精度旋转分度传动，仅能完成速度传动。若使用其他精度高、刚性高且能够消除间隙的分度机构，将会显著增加机床成本[4]。针对旋转分度精度要求较高，但旋转速度要求不高的机床传动机构，选择简易分度机构一方面可使成本下降，另一方面還可满足使用需求。

二、新型高精度蜗轮蜗杆消隙机构

为改善卧式机床大传动比降速机构旋转分度精度不足的问题，制作一款新型高精度蜗轮蜗杆消隙机构。该机构能够直接同机床主轴连接，进而达到卧式机床加工圆柱形工件高精度旋转分度需求，并且依据具体加工精度要求以及改变，可对传动机构发生的问题进行及时调整，进而满足更高精度的加工需求。该机构依据重型圆柱形环形工件加工时的旋转精度需求，选择具有大传动比的蜗轮蜗杆传动结构，其两级均能够消除间隙，并将该机构同机床主轴进行直接连接，确保工件低速稳定旋转分度[5]。利用机床数控系统对伺服电极进行控制，进而驱动该传动机构，达到自动旋转分布需求，并且还可带动机床工件、卡盘和主轴旋转。该传动结构利用两级传动链，尽可能减少因大转动比降速传动间隙的存在而影响精度，实际情况是：机床最大承载为40吨，传动结构减速比是2000：1，主轴额定每分钟转速是1r。依据做工对安装结构以及输出扭矩等要求，选择能够两级消除的蜗轮蜗杆传动降速结构，其第一级输入端减速比是40：1，利用变螺距蜗杆对蜗轮进行驱动，而变螺距蜗杆能够将同蜗轮间的间隙消除，提升传动精度[6]。第二级输出端减速比是50：1，在第二级传动蜗杆上直接固定第一级蜗轮，同一箱体上安装第一级传动以及第二级蜗杆，于机床主轴上安装二级输出蜗轮，并组成蜗轮蜗杆减速传动链，促使工件旋转，达到较高精度旋转分度。

三、技术特点以及调整方式

3.1技术特点

①该结构属于两级大传动比降速蜗轮蜗杆传动结构，其中一级输入端传动比是50：1，二级输出端传动比是40：1，总传动比是2000：1，能够达到大传动比降速传动需求。②该结构能够在有限的安装情况下完成大转动比降速的两级传动功能，尽可能降低传动环节以及传动间隙，提升传动精度。③其具有能够两级消隙的蜗轮蜗杆传动结构，能够显著提升旋转分布精度，满足对高精度的需求。在实践操作中，将机床安装在20吨工件上，其分度定位精度能够达到18°，而在直径是1200mm的立式数控回转工作台空载情况下，定位精度是20°，属于单级蜗轮蜗杆减速传动结构。④因其属于两级大传动比降速，具有较大刚性，能够输出大扭矩，其中额定输出扭矩是2N*m，而最大扭矩能够达到50000N*m，同时还可反复旋转启停，可平稳启动，自锁性能良好[7]。

3.2调整方式

变螺距蜗杆以及蜗轮构成第一级输入端，其中蜗杆利用圆锥滚子轴承以及滚针轴承固定于箱体上，利用联轴器，伺服电机能够对蜗杆以及蜗轮旋转进行控制，因使用的为变螺距蜗杆，能够调整蜗杆位置，控制蜗轮同蜗杆间间隙大小。若蜗轮同蜗杆间间隙增大，活动调整螺钉，促使其带动轴承套以及变螺距蜗杆，全部向外移动，进而降低一级输入结构的间隙。二级蜗杆以及蜗轮构成第二级输出端，于机床主轴上直接安装蜗轮，利用键连接一级、二级蜗轮，促使其形成整体，并将其安装于传动装置箱体上。二级输出同样能够调整间隙。对以及传动箱上螺纹孔以及螺栓进行调节，将第一级输入端整体上下位置进行调节，对输出端二级蜗轮以及一级蜗杆间间隙进行调节，当间隙满足需求后，使用螺母锁将螺栓固定。

四、小结

本研究设计一种基于高精度蜗轮蜗杆的消隙机构，其传动性能良好，并且该机构具有两级间隙调节方式，能够对传动机构内的间隙进行合理调节，依据精度需求及时调整两级间隙。另外，该机构结构简单、操作简便，能够更好的调节间隙，不仅有效解决重型工件旋转分度不足情况，还可显著节省制造成本。

参考文献

[1]李喆，马建东，秦昀亮，等.蜗轮蜗杆减速机箱体孔轴线垂直度误差模型[J].机械设计，2019，36（5）：56-59.

[2]彭东林，周启武，郑永，等.用于超精密蜗轮副加工的误差诱导重塑与精准抵消新工艺[J].中国机械工程，2021，32（19）：2326-2330.

[3]王峰，陈捷，洪荣晶.基于Adams的TK13250E数控转台蜗杆副传动精度的仿真[J].机械传动，2020，44（3）：155-159.

[4]陈燕，王芳，余晓宇，等.平地机回转驱动中圆柱蜗杆副的接触特性分析及实验[J].机床与液压，2020，48（13）：41-46，80.

[5]张伟伟，陶文坚.基于精密装配和双驱优化的数控机床定位问题分析与处理[J].机床与液压，2020，48（1）：183-187，112.

[6]宋远红，邓星桥，江源渊，等.关键参数对滚子包络内啮合蜗杆传动接触与润滑性能的影响[J].机械传动，2019，43（3）：17-21.

[7]陈志刚，王先声，周廷明，等.基于CATIA的EPS渐开线蜗轮蜗杆参数化建模及仿真[J].邵阳学院学报（自然科学版），2019，16（6）：59-69.