一種基于高精度蝸輪蝸桿的消隙機構設計及其傳動性能的效果分析

高鵬 孫影

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

關鍵詞：傳動性能;消隙機構;蝸輪蝸桿;高精度;結構調整

在機器設備上，壓榨輥以及真空伏輥等均是大型圓柱形態工件，其直徑通常在500mm至2000mm之間，長度一般是8000mm，另外質量可達到40噸[1]。為加工圓柱表面大量徑向深孔，需要工件重復旋轉分度。在達到工件高精度旋轉分度時，要求機床主軸和傳動環節需要存在精度高、剛性高、間隙小等特點，尤其對于傳動環節而言，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上設計出一種消隙機構，并檢測其傳動性能，現針對研究相關內容作出以下匯報。

一、常規傳動機構

常規傳動機構主要包含多極串聯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傳動，以上結構傳動環節較多，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內，均是多級多段組成的傳動機構[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，在傳動機構內齒輪模數是3，當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，將會顯著增加機床成本[4]。針對旋轉分度精度要求較高，但旋轉速度要求不高的機床傳動機構，選擇簡易分度機構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

為改善臥式機床大傳動比降速機構旋轉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。該機構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分度需求，并且依據具體加工精度要求以及改變，可對傳動機構發生的問題進行及時調整，進而滿足更高精度的加工需求。該機構依據重型圓柱形環形工件加工時的旋轉精度需求，選擇具有大傳動比的蝸輪蝸桿傳動結構，其兩級均能夠消除間隙，并將該機構同機床主軸進行直接連接，確保工件低速穩定旋轉分度[5]。利用機床數控系統對伺服電極進行控制，進而驅動該傳動機構，達到自動旋轉分布需求，并且還可帶動機床工件、卡盤和主軸旋轉。該傳動結構利用兩級傳動鏈，盡可能減少因大轉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，傳動結構減速比是2000：1，主軸額定每分鐘轉速是1r。依據做工對安裝結構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構，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動，而變螺距蝸桿能夠將同蝸輪間的間隙消除，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，達到較高精度旋轉分度。

三、技術特點以及調整方式

3.1技術特點

①該結構屬于兩級大傳動比降速蝸輪蝸桿傳動結構，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該結構能夠在有限的安裝情況下完成大轉動比降速的兩級傳動功能，盡可能降低傳動環節以及傳動間隙，提升傳動精度。③其具有能夠兩級消隙的蝸輪蝸桿傳動結構，能夠顯著提升旋轉分布精度，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的立式數控回轉工作臺空載情況下，定位精度是20°，屬于單級蝸輪蝸桿減速傳動結構。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，同時還可反復旋轉啟停，可平穩啟動，自鎖性能良好[7]。

3.2調整方式

變螺距蝸桿以及蝸輪構成第一級輸入端，其中蝸桿利用圓錐滾子軸承以及滾針軸承固定于箱體上，利用聯軸器，伺服電機能夠對蝸桿以及蝸輪旋轉進行控制，因使用的為變螺距蝸桿，能夠調整蝸桿位置，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構的間隙。二級蝸桿以及蝸輪構成第二級輸出端，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整間隙。對以及傳動箱上螺紋孔以及螺栓進行調節，將第一級輸入端整體上下位置進行調節，對輸出端二級蝸輪以及一級蝸桿間間隙進行調節，當間隙滿足需求后，使用螺母鎖將螺栓固定。

四、小結

本研究設計一種基于高精度蝸輪蝸桿的消隙機構，其傳動性能良好，并且該機構具有兩級間隙調節方式，能夠對傳動機構內的間隙進行合理調節，依據精度需求及時調整兩級間隙。另外，該機構結構簡單、操作簡便，能夠更好的調節間隙，不僅有效解決重型工件旋轉分度不足情況，還可顯著節省制造成本。

參考文獻

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