零傳動滾齒機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

周國君

摘 要：直線電動機(jī)技術(shù)的逐漸成熟，使得直線運(yùn)動開始實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)動，即直接驅(qū)動。齒輪加工機(jī)床傳動原理異常復(fù)雜、“內(nèi)聯(lián)”傳動精確度要求非常高，直至20世紀(jì)90年代以前國內(nèi)都沒有“零傳動”技術(shù)在齒輪加工機(jī)床中成功應(yīng)用的先例。零傳動高速滾齒機(jī)的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)包括：總體布局設(shè)計技術(shù)、速度匹配性設(shè)計技術(shù)、傳動系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、床身及排屑系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計、滾刀主軸及工件主軸直接驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、直驅(qū)滾刀主軸及工件主軸編碼器選取技術(shù)，本文主要針對這六項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析與研究。

關(guān)鍵詞：零轉(zhuǎn)動；滾齒機(jī)；精度；剛度

前言

齒輪是機(jī)械產(chǎn)品的重要基礎(chǔ)零件，在機(jī)床、汽車、農(nóng)機(jī)、建筑機(jī)械、工程機(jī)械、航空、兵器、工具等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，其質(zhì)量、性能、壽命等直接影響到各類機(jī)械的質(zhì)量。隨著汽車、機(jī)械、航天等工業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對齒輪的要求也越來越高，同時齒輪的設(shè)計、加工、檢測的要求也相應(yīng)提高，齒輪的相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)入新的階段。

1 零傳動滾齒機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展

現(xiàn)階段，諸如美國Gleason-Pfauter、德國Liebherr、日本的三菱重工等國際著名的齒輪加工機(jī)床生產(chǎn)廠家都投入大量的人力、物力、財力研究零轉(zhuǎn)動技術(shù)在齒輪加工機(jī)床中的應(yīng)用，這些廠家在自己新推出的產(chǎn)品中都應(yīng)用了零傳動技術(shù)，使得齒輪加工機(jī)床的性能達(dá)到了新的高度。而目前國內(nèi)鋸齒加工機(jī)床，在工作臺直線移動方面，采用數(shù)控驅(qū)動系統(tǒng)代替普通滾齒機(jī)的各種交換掛輪，驅(qū)動機(jī)床的運(yùn)動部件上采用交流伺服電機(jī)通過多對降速齒輪副和一對滾珠絲杠副；采用交流伺服電機(jī)通過2-3對降速齒輪副來實(shí)現(xiàn)滾刀混轉(zhuǎn)運(yùn)動；絕大多數(shù)齒輪加工機(jī)床仍采用多對高精度齒輪副和一對高精度蝸輪蝸桿服實(shí)現(xiàn)工作臺回轉(zhuǎn)運(yùn)動。

2 零傳動滾齒論機(jī)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 零傳動滾齒機(jī)概述

零傳動滾齒機(jī)是在滾齒機(jī)朝著全數(shù)控化、高速高精度、零傳動、綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢下應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生的，數(shù)控滾齒機(jī)同機(jī)械式傳動機(jī)在切削原理方面相同，一是利用展成原理來加工，此方法適用于滾刀與工件齒共軛；另一方面，全數(shù)控滾齒機(jī)的各軸均獨(dú)立伺服驅(qū)動，并可檢測反饋，可以加工圓柱體的等分與不等分槽，同時也可對于徑向進(jìn)給和軸向進(jìn)給實(shí)現(xiàn)差補(bǔ)運(yùn)算控制，使機(jī)床完成小錐度齒輪、鼓形齒輪的加工。

2.2 零傳動滾齒機(jī)需要研究的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 滾齒機(jī)床的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)

傳統(tǒng)齒輪加工機(jī)床運(yùn)動關(guān)系復(fù)雜，在齒輪機(jī)床中包括主運(yùn)動傳動鏈、展成分度鏈、差動傳動鏈、軸向進(jìn)給傳動鏈、徑向進(jìn)給傳動鏈、切向進(jìn)給轉(zhuǎn)動鏈、刀架回轉(zhuǎn)運(yùn)動鏈等。20世紀(jì)80年代初數(shù)控技術(shù)引入齒輪加工機(jī)床，使得齒輪加工機(jī)床的技術(shù)水平有了明顯的提高，同時，計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和高精度、高速響應(yīng)伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，讓全功能數(shù)控齒輪加工機(jī)床已成為國際市場上的主流產(chǎn)品。全功能數(shù)控的齒輪機(jī)床的各軸進(jìn)給運(yùn)動、展成運(yùn)動和差動運(yùn)動均為數(shù)控的。在滾刀和工作臺之間采用電子齒輪箱，大大簡化了機(jī)械轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，降低了傳動誤差。今年來國內(nèi)外主要齒輪加工機(jī)床生產(chǎn)廠家都致力于縮短機(jī)床的傳動鏈。零傳動技術(shù)是機(jī)床設(shè)計和制造技術(shù)的一次重大革新，它去掉一般數(shù)控滾齒機(jī)的高精度齒輪副或蝸輪副，采用內(nèi)置主軸電機(jī)、內(nèi)置力矩電機(jī)分別驅(qū)動，使機(jī)床的結(jié)構(gòu)得到最大限度的簡化。

2.2.2 滾刀主軸-工件主軸速度

衡量滾齒機(jī)性能的一個重要指標(biāo)就是滾刀主軸和工件主軸轉(zhuǎn)速的高低。滾刀主軸的轉(zhuǎn)速、工作臺主軸的轉(zhuǎn)速、軸向進(jìn)給速度、各直線坐標(biāo)及滾刀角度旋轉(zhuǎn)調(diào)整周的快速運(yùn)動速度是最能體現(xiàn)高效加工的機(jī)床參數(shù)。近幾年，隨著改善生態(tài)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的呼吁，不使用切削液的干切削得到廣泛推崇，國內(nèi)外主要的齒輪加工機(jī)床廠家也都大力開發(fā)數(shù)控高速干切滾齒機(jī)，按目前的工藝，滾刀主軸的最高轉(zhuǎn)速一般確定為4000rpm，最低轉(zhuǎn)速確定為550rpm。工件主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)與滾刀主軸轉(zhuǎn)速相匹配。目前用戶加工齒輪的齒數(shù)范圍在6-100齒以內(nèi)，當(dāng)滾刀主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)到4000rpm，此時的工件主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)為400-5000rpm.按加工齒輪數(shù)為100，滾刀轉(zhuǎn)速為1000-1200rpm，此時的工件主軸轉(zhuǎn)速為10-12rpm，但因?yàn)檫€要受到其他因素影響，確定工件主軸最低轉(zhuǎn)速為5rpm。

2.2.3 床身及排屑系統(tǒng)

床身是機(jī)床的基礎(chǔ)大件，具備高強(qiáng)度和剛度、較好的抗振性和熱穩(wěn)定性是其結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須要做到的，現(xiàn)階段采取的措施有鑄件采用全封閉截面，合理布置內(nèi)部隔板和肋條，導(dǎo)軌面加寬等。相對而言，干切削機(jī)床則有更高的要求，如床身有足夠的剛性，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，重量輕，排屑順暢，減少排屑過程中切屑傳給機(jī)床部件的熱量，保證熱平衡等。為保證排屑暢通，需合理布置內(nèi)隔熱板和肋條，盡量采用對稱設(shè)計，排屑橫槽設(shè)計在機(jī)床的加工區(qū)域左下方，鐵屑直接下落，可快速排出。

3 零轉(zhuǎn)動滾齒機(jī)傳動精度研究

齒輪加工的精度受加工機(jī)床的幾何精度、剛度、熱變形、道具質(zhì)量及其安裝精度、機(jī)床傳動鏈條精度以及機(jī)床的扭振動力等特性影響，而其中其關(guān)鍵性作用的是機(jī)床傳動鏈的精度。所謂傳動精度就是指傳動鏈中各環(huán)節(jié)精度對道具和工件間相對運(yùn)動的均勻性和準(zhǔn)確性的影響程度。要加工出高度精確的齒輪，加工機(jī)床的道具與工作臺之間必須要有準(zhǔn)確的速比關(guān)系，而機(jī)床的分度轉(zhuǎn)動時保證速比關(guān)系準(zhǔn)確的重要因素。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，電氣轉(zhuǎn)動代替?zhèn)鲃渔渷韺?shí)現(xiàn)內(nèi)聯(lián)動，這大大縮短了傳動鏈的長度，減少了轉(zhuǎn)動原件數(shù)量，提高了傳動的精確度，實(shí)現(xiàn)了齒輪加工機(jī)床的數(shù)控化。在研究傳動精度的時候，一定要注意機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、伺服機(jī)構(gòu)、數(shù)控內(nèi)聯(lián)傳動等等這些方面，把握好這些，才能真正提高滾齒機(jī)傳動精度。

4 零轉(zhuǎn)動滾齒機(jī)剛度研究

剛度是表征物體抵抗變形能力的物理量。伺服系統(tǒng)有兩種不同的剛度，分別為機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械剛度和伺服系統(tǒng)的伺服剛度。機(jī)械剛度是指，機(jī)床彈性體產(chǎn)生單位變形量時所需要的作用力，它反映了機(jī)械元件抵抗變形的能力，如作用力為靜力，則是機(jī)械靜剛度，如果作用力是交變力，則是機(jī)械動剛度。伺服剛度是指伺服系統(tǒng)具有彈簧那樣的剛性特性，如機(jī)械剛度一樣，伺服剛度也分為動剛度和靜剛度。其中提高驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)伺服制度對獲得高的加工精度尤為重要。直接驅(qū)動電動機(jī)直接采用電動機(jī)與被驅(qū)動載荷相連，避免了減速系統(tǒng)的彈性和摩擦、間隙等因素的影響，從而可以達(dá)到高精度的位置控制，另一方面，與傳統(tǒng)的帶有減速裝置的伺服電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)相比，直接驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的控制性更容易受到轉(zhuǎn)矩波動，大的轉(zhuǎn)矩波動會引起直接驅(qū)動伺服系統(tǒng)的控制性能下降。因此在實(shí)際的應(yīng)用過程中，要盡可能提高控制系統(tǒng)的剛度，確保加工的穩(wěn)定性，減少外界干擾，保證伺服形同的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

因傳動原理異常復(fù)雜，“內(nèi)聯(lián)”傳動精度要求非常高，“零傳動”技術(shù)在齒輪加工機(jī)床中一直未得到廣泛應(yīng)用，即便“干切削”、“高速切削”、“高精度切削”、“硬齒面切削”等現(xiàn)代加工工藝進(jìn)入齒輪加工領(lǐng)域的今天，“零傳動”齒輪加工機(jī)床依然售價很高，甚至很多國外的設(shè)計原理和技術(shù)資料都嚴(yán)格保密，形成技術(shù)壟斷。本文通過對零傳動滾齒機(jī)的研究，就是希望能對國內(nèi)“零傳動”滾齒機(jī)的研究設(shè)計有所啟示，使國內(nèi)在此領(lǐng)域的研究中有所突破。

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