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变导程蜗轮蜗杆副在高精度分度中的应用

发布时间:2015-05-19 13:06:00 点击:


摘要:介绍了一种采用变导程蜗轮蜗杆的高精度分度方法,分析变导程蜗轮蜗杆传动原理、变导程蜗轮蜗杆调隙结构和变导程蜗轮蜗杆加工和调整方法。变导程蜗轮蜗杆分度精度高,调整方便、使用寿命长,非常适合在高精度分度和旋转伺服轴等工程场合应用。
 
         高精度分度装置在现代数控机床特别是加工中心、数控铣床等设备上应用得非常广泛,除了分度功能外,常常直接作为一个旋转伺服轴与其它坐标轴联动。一般的高精度分度装置通常采用伺服电机或混合式步进电机驱动蜗轮蜗杆传动机构。伺服电机旋转一圈细分最小精度由电机反馈编码器的精度决定。例如一个5120线的编码器,旋转一圈细分最小度为360°/5 120=0.07°,采用一个减速比为1∶50的蜗轮蜗杆机构,分度装置的精度可以达到0.07°/50=0.001 4°。可以达到很高的分度和定位精度,但采普通的蜗轮蜗杆机构存在一个问题:装配初期蜗轮蜗杆啮合得还比较紧密,分度装置的传动精度较高;但运行一段时间后,蜗轮蜗杆就会磨损出现间隙。传动的精度没有保证,整个分度装置的分度精度就会大大降低。本文介绍了一种可调间隙的变导程蜗轮蜗杆机构,可以非常好地解决这个问题。该装置已成功应用在五轴的复杂螺旋线加工铣床上。
        
1 变导程蜗轮蜗杆传动原理
        变导程蜗轮蜗杆传动的工作原理与普通圆柱蜗杆传动原理基本相同。沿蜗杆轴的中心剖面看,同样的蜗杆齿形相当于齿条,蜗轮相当于与它啮合的齿轮。变导程蜗轮杆传动与普通圆柱蜗轮蜗杆传动的区别在于:
        变导程蜗杆的左右齿面具有不相等的导程。图1为一个导程逐渐增大的变导程蜗杆结构,标准齿的导程(单头蜗杆)p=πm,齿厚为p=πm /2,跟它相邻的第一个齿导程变为p=πm+t,齿厚为p=πm /2+t,齿间距不变。同理相邻的第二个齿导程变为p=πm+2t,齿厚为p=πm /2+2t,齿间距不变。蜗杆的轴向齿厚沿其轴线从一端到另一端按一定的比例增大(或者减小),而与变导程蜗杆啮合的蜗轮齿厚均相等。这样,当蜗杆沿轴向移动时,它们之间的啮合侧隙也随之改变。当一对变导程蜗轮副运转很长时间后,因磨损造成齿面啮合侧隙加大而破坏了运动的平稳性,此时,将变导程蜗杆沿齿厚减薄的方向位移一段轴向距离,啮合侧隙则随之减小或完全消除,随之恢复了运动的平稳性。这就是变导程蜗杆传动的工作原理。
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2 变导程蜗轮蜗杆调隙结构
       为了消除因磨损造成齿面啮合侧隙变大问题,导程蜗轮蜗杆必须有一个调隙结构。我们在五轴的复杂螺旋线加工铣床上,调隙结构如图2。这种结构将蜗杆、轴承和电机由一个可以移动的套筒做成一个整体,移动套筒可沿轴向由锁紧螺母调整轴向位置。可调节行程大约为20mm。
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3 变导程蜗轮蜗杆加工和调整
       变导程蜗杆的加工有很多文献已经做过论述,这里重点讨论蜗轮的加工和装配工艺。由于变导程蜗杆左、右侧节距不相等,其左、右侧实际模数也不等。以与蜗杆标准齿和它相邻的第一个变导程齿为例:            
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        之相啮合的蜗轮齿厚相等,为了保证正常的啮合,要求与蜗杆啮合的蜗轮左、右侧模数应分别与蜗杆左、右侧模数相等。通常要对蜗轮两侧进行不同变位处理,使它与蜗杆左右侧模数相配合。
         但对于蜗杆导程变动不大的变导程蜗轮蜗杆,可以采用一种简易实用的蜗轮加工和调整方法。我们在工程中应用的变导程蜗杆标准齿数据为m=2mm,z=1,q=11.2mm,p=6.28mm,标准导程角γ=arctan(z1/q)=5.102 165°。导程增加0.2mm后p=6.48mm,m=6.48/3.14=2.063 69mm,q=d
22.4/2.063 69=10.854 3mm,导程角γ=arctan(z1/q)=5.263 7°。两者导程角变化只有0.16°,说明齿厚渐变比较小。对于这种情况可以对蜗轮不作变位处理,采用展成原理调整修磨蜗轮。具体方法如下:将蜗杆上均匀撒一些金刚砂,固定蜗杆位置,蜗轮与蜗杆中心距先定的大一些以便于蜗轮与蜗杆能够啮合进去,慢慢旋转蜗轮并同时让蜗轮中心靠近标准中心距位置。这样经过修磨后蜗轮和变导程蜗杆就能啮合得非常紧密。
         
4  结论
          采用伺服电机加变导程蜗轮蜗杆的分度方法分度精度高,调整方便,使用寿命长,精度不受磨损影响,非常适合在高精度分度和旋转伺服轴等工程应用场合。


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