一種基于高精度蝸輪蝸桿的消隙機構(gòu)設(shè)計及其傳動性能的效果分析

高鵬 孫影

摘要：對于重型圓柱形態(tài)工件，其在旋轉(zhuǎn)分度期間，因工件旋轉(zhuǎn)自身重量形成的慣性以及傳動機構(gòu)內(nèi)的間隙，使得工件旋轉(zhuǎn)分度精度不佳。對于該種情況，設(shè)計一種基于高精度蝸輪蝸桿的消隙機構(gòu)，并分析其傳動性能。

關(guān)鍵詞：傳動性能;消隙機構(gòu);蝸輪蝸桿;高精度;結(jié)構(gòu)調(diào)整

在機器設(shè)備上，壓榨輥以及真空伏輥等均是大型圓柱形態(tài)工件，其直徑通常在500mm至2000mm之間，長度一般是8000mm，另外質(zhì)量可達到40噸[1]。為加工圓柱表面大量徑向深孔，需要工件重復(fù)旋轉(zhuǎn)分度。在達到工件高精度旋轉(zhuǎn)分度時，要求機床主軸和傳動環(huán)節(jié)需要存在精度高、剛性高、間隙小等特點，尤其對于傳動環(huán)節(jié)而言，其在間隙、精度以及剛性等方面需要滿足以上需求[2]。為此，本研究在高精度蝸輪蝸桿基礎(chǔ)上設(shè)計出一種消隙機構(gòu)，并檢測其傳動性能，現(xiàn)針對研究相關(guān)內(nèi)容作出以下匯報。

一、常規(guī)傳動機構(gòu)

常規(guī)傳動機構(gòu)主要包含多極串聯(lián)的精密行星輪減速機、蝸輪蝸桿減速機等，其一般使用普通多級傳動齒輪變速箱實現(xiàn)傳動，以上結(jié)構(gòu)傳動環(huán)節(jié)較多，并且傳動剛性差、傳動間隙較大，特別是大傳動比降速傳動機構(gòu)內(nèi)，均是多級多段組成的傳動機構(gòu)[3]。比如對于減速比是1000：1的精密行星輪減速機而言，其主要分成四個部分傳動鏈，依次是8：1、5：1、5：1、5：1，在傳動機構(gòu)內(nèi)齒輪模數(shù)是3，當(dāng)進行大扭矩大傳動比降速傳動時，在剛性方面明顯缺少，同時每段均有不可消除的間隙存在，將四個部分的間隙進行累積，間隙和角度誤差較大，可達到20弧分，無法達到高精度旋轉(zhuǎn)分度傳動，僅能完成速度傳動。若使用其他精度高、剛性高且能夠消除間隙的分度機構(gòu)，將會顯著增加機床成本[4]。針對旋轉(zhuǎn)分度精度要求較高，但旋轉(zhuǎn)速度要求不高的機床傳動機構(gòu)，選擇簡易分度機構(gòu)一方面可使成本下降，另一方面還可滿足使用需求。

二、新型高精度蝸輪蝸桿消隙機構(gòu)

為改善臥式機床大傳動比降速機構(gòu)旋轉(zhuǎn)分度精度不足的問題，制作一款新型高精度蝸輪蝸桿消隙機構(gòu)。該機構(gòu)能夠直接同機床主軸連接，進而達到臥式機床加工圓柱形工件高精度旋轉(zhuǎn)分度需求，并且依據(jù)具體加工精度要求以及改變，可對傳動機構(gòu)發(fā)生的問題進行及時調(diào)整，進而滿足更高精度的加工需求。該機構(gòu)依據(jù)重型圓柱形環(huán)形工件加工時的旋轉(zhuǎn)精度需求，選擇具有大傳動比的蝸輪蝸桿傳動結(jié)構(gòu)，其兩級均能夠消除間隙，并將該機構(gòu)同機床主軸進行直接連接，確保工件低速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)分度[5]。利用機床數(shù)控系統(tǒng)對伺服電極進行控制，進而驅(qū)動該傳動機構(gòu)，達到自動旋轉(zhuǎn)分布需求，并且還可帶動機床工件、卡盤和主軸旋轉(zhuǎn)。該傳動結(jié)構(gòu)利用兩級傳動鏈，盡可能減少因大轉(zhuǎn)動比降速傳動間隙的存在而影響精度，實際情況是：機床最大承載為40噸，傳動結(jié)構(gòu)減速比是2000：1，主軸額定每分鐘轉(zhuǎn)速是1r。依據(jù)做工對安裝結(jié)構(gòu)以及輸出扭矩等要求，選擇能夠兩級消除的蝸輪蝸桿傳動降速結(jié)構(gòu)，其第一級輸入端減速比是40：1，利用變螺距蝸桿對蝸輪進行驅(qū)動，而變螺距蝸桿能夠?qū)⑼佪嗛g的間隙消除，提升傳動精度[6]。第二級輸出端減速比是50：1，在第二級傳動蝸桿上直接固定第一級蝸輪，同一箱體上安裝第一級傳動以及第二級蝸桿，于機床主軸上安裝二級輸出蝸輪，并組成蝸輪蝸桿減速傳動鏈，促使工件旋轉(zhuǎn)，達到較高精度旋轉(zhuǎn)分度。

三、技術(shù)特點以及調(diào)整方式

3.1技術(shù)特點

①該結(jié)構(gòu)屬于兩級大傳動比降速蝸輪蝸桿傳動結(jié)構(gòu)，其中一級輸入端傳動比是50：1，二級輸出端傳動比是40：1，總傳動比是2000：1，能夠達到大傳動比降速傳動需求。②該結(jié)構(gòu)能夠在有限的安裝情況下完成大轉(zhuǎn)動比降速的兩級傳動功能，盡可能降低傳動環(huán)節(jié)以及傳動間隙，提升傳動精度。③其具有能夠兩級消隙的蝸輪蝸桿傳動結(jié)構(gòu)，能夠顯著提升旋轉(zhuǎn)分布精度，滿足對高精度的需求。在實踐操作中，將機床安裝在20噸工件上，其分度定位精度能夠達到18°，而在直徑是1200mm的立式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺空載情況下，定位精度是20°，屬于單級蝸輪蝸桿減速傳動結(jié)構(gòu)。④因其屬于兩級大傳動比降速，具有較大剛性，能夠輸出大扭矩，其中額定輸出扭矩是2N*m，而最大扭矩能夠達到50000N*m，同時還可反復(fù)旋轉(zhuǎn)啟停，可平穩(wěn)啟動，自鎖性能良好[7]。

3.2調(diào)整方式

變螺距蝸桿以及蝸輪構(gòu)成第一級輸入端，其中蝸桿利用圓錐滾子軸承以及滾針軸承固定于箱體上，利用聯(lián)軸器，伺服電機能夠?qū)ξ仐U以及蝸輪旋轉(zhuǎn)進行控制，因使用的為變螺距蝸桿，能夠調(diào)整蝸桿位置，控制蝸輪同蝸桿間間隙大小。若蝸輪同蝸桿間間隙增大，活動調(diào)整螺釘，促使其帶動軸承套以及變螺距蝸桿，全部向外移動，進而降低一級輸入結(jié)構(gòu)的間隙。二級蝸桿以及蝸輪構(gòu)成第二級輸出端，于機床主軸上直接安裝蝸輪，利用鍵連接一級、二級蝸輪，促使其形成整體，并將其安裝于傳動裝置箱體上。二級輸出同樣能夠調(diào)整間隙。對以及傳動箱上螺紋孔以及螺栓進行調(diào)節(jié)，將第一級輸入端整體上下位置進行調(diào)節(jié)，對輸出端二級蝸輪以及一級蝸桿間間隙進行調(diào)節(jié)，當(dāng)間隙滿足需求后，使用螺母鎖將螺栓固定。

四、小結(jié)

本研究設(shè)計一種基于高精度蝸輪蝸桿的消隙機構(gòu)，其傳動性能良好，并且該機構(gòu)具有兩級間隙調(diào)節(jié)方式，能夠?qū)鲃訖C構(gòu)內(nèi)的間隙進行合理調(diào)節(jié)，依據(jù)精度需求及時調(diào)整兩級間隙。另外，該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便，能夠更好的調(diào)節(jié)間隙，不僅有效解決重型工件旋轉(zhuǎn)分度不足情況，還可顯著節(jié)省制造成本。

參考文獻

[1]李喆，馬建東，秦昀亮，等.蝸輪蝸桿減速機箱體孔軸線垂直度誤差模型[J].機械設(shè)計，2019，36（5）：56-59.

[2]彭東林，周啟武，鄭永，等.用于超精密蝸輪副加工的誤差誘導(dǎo)重塑與精準(zhǔn)抵消新工藝[J].中國機械工程，2021，32（19）：2326-2330.

[3]王峰，陳捷，洪榮晶.基于Adams的TK13250E數(shù)控轉(zhuǎn)臺蝸桿副傳動精度的仿真[J].機械傳動，2020，44（3）：155-159.

[4]陳燕，王芳，余曉宇，等.平地機回轉(zhuǎn)驅(qū)動中圓柱蝸桿副的接觸特性分析及實驗[J].機床與液壓，2020，48（13）：41-46，80.

[5]張偉偉，陶文堅.基于精密裝配和雙驅(qū)優(yōu)化的數(shù)控機床定位問題分析與處理[J].機床與液壓，2020，48（1）：183-187，112.

[6]宋遠紅，鄧星橋，江源淵，等.關(guān)鍵參數(shù)對滾子包絡(luò)內(nèi)嚙合蝸桿傳動接觸與潤滑性能的影響[J].機械傳動，2019，43（3）：17-21.

[7]陳志剛，王先聲，周廷明，等.基于CATIA的EPS漸開線蝸輪蝸桿參數(shù)化建模及仿真[J].邵陽學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，16（6）：59-69.