双齿轮消隙减速箱的结构及装配
2022-06-09
滚珠丝杠具有传动效率高、运动平稳、寿命高及可预紧消除间隙并提高系统刚度等特点，所以旋转伺服电机+滚珠丝杠副的传动结构是大多数数控机床进给运动选用的结构，但当机床的工作行程很大时，采用齿轮齿条或者蜗母齿条传动来实现进给运动（通常在行程超过5000mm时不使用丝杠传动）。
下面将结合我安装过的机床论述齿轮齿条的传动结构。
我事业部生产HTC系列、HTCmiddle系列HTCtriple系列数控车床，其Z轴长度规格从3000mm至18000mm，其中6000mm以下规格用滚珠丝杠传动，6000mm以上规格用齿轮齿条传动。其传动系统图见图1。
1、2直齿轮3蜗轮4蜗杆5、7斜齿轮6、8斜齿轮9、10输出端斜齿轮11斜齿条12伺服电机
图1传动系统图
由图1可以看出伺服电机经一系列降速后，将动力传至输出端的一对相关联的斜齿轮，斜齿轮与安装在床身上的斜齿条啮合，驱动床鞍沿床身运动，从而实现机床的Z轴进给。
我们知道数控机床的运动精度和位置精度在很大程度上取决于进给传动链的精度。在滚珠丝杠传动中，其传动链误差主要来源于滚珠丝杠副的轴向间隙，通常我们选择双螺母调整垫片的方式预紧，或采用变丝母螺距预紧来消除轴向间隙。齿轮消隙方法有很多种，常用的有直齿轮双片齿轮错齿法、斜齿轮轴向垫片调整法等。
本文讨论的是双传动链弹簧预紧消隙。这种方法调整简便，并可自动补偿间隙，具有随时消隙的特点。
从传动系统图和结构图可以看出，伺服电机通过胀套与电机轴上的小齿轮相连，降速后传至Ⅰ轴，再通过蜗轮蜗杆降速后传至Ⅱ轴。在装配中先要将这组弹簧齿轮安装好，并且让弹簧有压缩量。在与电机输入齿轮啮合后，让其弹簧涨紧并用0.02塞尺检查组合齿轮是否与电机输入齿轮完全啮合。这是在装配双齿轮消隙减速箱要注意的第一步。
从图2中可以看出，伺服电机通过胀套与电机轴上的小齿轮相连，降速后传至Ⅰ轴，再通过蜗轮蜗杆降速后传至Ⅱ轴，Ⅱ轴上有一对模数相同、齿数相同、左右旋向相反的斜齿轮，在Ⅱ轴轴端有一个锁紧螺母通过隔套和球轴承将一对斜齿轮锁紧在Ⅱ轴上。Ⅱ轴上的斜齿轮。
图2消隙减速箱的结构图
1和2分别和通过胀套无间隙联结在Ⅲ轴上的斜齿轮3及Ⅳ轴上的斜齿轮4啮合，分别带动安装在Ⅲ轴、Ⅳ轴上的输出端斜齿轮A和B，斜齿轮A、B和安装在床身上的斜齿条啮合，从而带动减速箱沿床身方向实现进给运动。
由结构图中可以看到，电机降速后传Ⅰ轴，再通过蜗轮蜗杆降速后传至Ⅱ轴，蜗杆设计选用的是锥蜗杆，在装配的过程中要保证涡轮蜗杆无间隙啮合（涡轮蜗杆啮合在涡轮正中间或在涡轮两侧都可视为合格）。
静止状态时，锁紧螺母，将压缩弹簧始终处在受压状态，使带*号尺寸比初装时变小，斜齿轮1、斜齿轮2在Ⅱ轴上上下移动，使得Ⅲ轴、Ⅳ轴上的斜齿轮3、4分别做微小的逆时针和顺时针旋转，使斜齿轮1斜齿轮3、斜齿轮2斜齿轮4两对斜齿轮副的齿面紧靠（相当于无间隙传动），这时锁紧两个齿轮上的胀套，此时应防止蜗轮转动。输出端的两个斜齿轮A、B的前后两个侧面将分别用人力靠紧齿条。在总装时减速箱固定在床鞍上之后，须调整锁紧螺母，使螺母与隔套之间留有一定的间隙，使斜齿轮2可以在Ⅱ轴上灵活上下移动。再锁紧图2中的锁紧螺母，使得斜齿轮A和B始终处在夹紧齿条的状态。
下面将从运动时的动态分析入手，来阐述此套结构是如何实现随时消除间隙的：
1.+Z方向（向前）进给时
当床鞍带动减速箱向前进给时，输出端斜齿轮A为工作齿轮，顺时针旋转，输出端斜齿轮B为消隙齿轮。此时如果齿条的齿距小于标准理论齿距，弹簧推动斜齿轮2，使斜齿轮2在Ⅱ轴上向下移动，推动Ⅲ轴逆时针微小旋转，从而带动斜齿轮B逆时针旋转一个角度，使得间隙被消除。如果齿条的齿距大于标准理论齿距，此时齿条的齿迫使斜齿轮B顺时针旋转，带动Ⅲ轴及斜齿轮4也顺时针旋转，由此推动斜齿轮2向上移动，这时齿距误差即被消除。
2.-Z方向（向后）进给时
当床鞍带动减速箱后前进给时，输出端斜齿轮B为工作齿轮，逆时针旋转，输出端斜齿轮A为消隙齿轮。斜齿轮B始终无间隙地和斜齿条接触。类似+Z方向进给的分析，在齿条齿距小于理论齿距的时候，斜齿轮1向下移动使得斜齿轮A顺时针转动，直至消除了间隙。在齿条齿距大于理论齿距，齿条的齿迫使斜齿轮A逆时针旋转直至消除间隙。不同的齿轮副间隙，Ⅲ轴顺、逆时针旋转的角度也将不同。
图1和图2中很多环节我们都是使用胀套进行无间隙的连接，在上述结构中，各齿轮副中的间隙均可被双齿轮消隙结构消除，图1中齿轮1和齿轮2是通过专门的结构来消除这对齿轮副中的传动间隙的，但是蜗轮蜗杆传动的间隙是存在的，这间隙是如何解决的呢？
下面将结合我安装过的机床论述齿轮齿条的传动结构。
我事业部生产HTC系列、HTCmiddle系列HTCtriple系列数控车床，其Z轴长度规格从3000mm至18000mm，其中6000mm以下规格用滚珠丝杠传动，6000mm以上规格用齿轮齿条传动。其传动系统图见图1。
1、2直齿轮3蜗轮4蜗杆5、7斜齿轮6、8斜齿轮9、10输出端斜齿轮11斜齿条12伺服电机
图1传动系统图
由图1可以看出伺服电机经一系列降速后，将动力传至输出端的一对相关联的斜齿轮，斜齿轮与安装在床身上的斜齿条啮合，驱动床鞍沿床身运动，从而实现机床的Z轴进给。
我们知道数控机床的运动精度和位置精度在很大程度上取决于进给传动链的精度。在滚珠丝杠传动中，其传动链误差主要来源于滚珠丝杠副的轴向间隙，通常我们选择双螺母调整垫片的方式预紧，或采用变丝母螺距预紧来消除轴向间隙。齿轮消隙方法有很多种，常用的有直齿轮双片齿轮错齿法、斜齿轮轴向垫片调整法等。
本文讨论的是双传动链弹簧预紧消隙。这种方法调整简便，并可自动补偿间隙，具有随时消隙的特点。
从传动系统图和结构图可以看出，伺服电机通过胀套与电机轴上的小齿轮相连，降速后传至Ⅰ轴，再通过蜗轮蜗杆降速后传至Ⅱ轴。在装配中先要将这组弹簧齿轮安装好，并且让弹簧有压缩量。在与电机输入齿轮啮合后，让其弹簧涨紧并用0.02塞尺检查组合齿轮是否与电机输入齿轮完全啮合。这是在装配双齿轮消隙减速箱要注意的第一步。
从图2中可以看出，伺服电机通过胀套与电机轴上的小齿轮相连，降速后传至Ⅰ轴，再通过蜗轮蜗杆降速后传至Ⅱ轴，Ⅱ轴上有一对模数相同、齿数相同、左右旋向相反的斜齿轮，在Ⅱ轴轴端有一个锁紧螺母通过隔套和球轴承将一对斜齿轮锁紧在Ⅱ轴上。Ⅱ轴上的斜齿轮。
图2消隙减速箱的结构图
1和2分别和通过胀套无间隙联结在Ⅲ轴上的斜齿轮3及Ⅳ轴上的斜齿轮4啮合，分别带动安装在Ⅲ轴、Ⅳ轴上的输出端斜齿轮A和B，斜齿轮A、B和安装在床身上的斜齿条啮合，从而带动减速箱沿床身方向实现进给运动。
由结构图中可以看到，电机降速后传Ⅰ轴，再通过蜗轮蜗杆降速后传至Ⅱ轴，蜗杆设计选用的是锥蜗杆，在装配的过程中要保证涡轮蜗杆无间隙啮合（涡轮蜗杆啮合在涡轮正中间或在涡轮两侧都可视为合格）。
静止状态时，锁紧螺母，将压缩弹簧始终处在受压状态，使带*号尺寸比初装时变小，斜齿轮1、斜齿轮2在Ⅱ轴上上下移动，使得Ⅲ轴、Ⅳ轴上的斜齿轮3、4分别做微小的逆时针和顺时针旋转，使斜齿轮1斜齿轮3、斜齿轮2斜齿轮4两对斜齿轮副的齿面紧靠（相当于无间隙传动），这时锁紧两个齿轮上的胀套，此时应防止蜗轮转动。输出端的两个斜齿轮A、B的前后两个侧面将分别用人力靠紧齿条。在总装时减速箱固定在床鞍上之后，须调整锁紧螺母，使螺母与隔套之间留有一定的间隙，使斜齿轮2可以在Ⅱ轴上灵活上下移动。再锁紧图2中的锁紧螺母，使得斜齿轮A和B始终处在夹紧齿条的状态。
下面将从运动时的动态分析入手，来阐述此套结构是如何实现随时消除间隙的：
1.+Z方向（向前）进给时
当床鞍带动减速箱向前进给时，输出端斜齿轮A为工作齿轮，顺时针旋转，输出端斜齿轮B为消隙齿轮。此时如果齿条的齿距小于标准理论齿距，弹簧推动斜齿轮2，使斜齿轮2在Ⅱ轴上向下移动，推动Ⅲ轴逆时针微小旋转，从而带动斜齿轮B逆时针旋转一个角度，使得间隙被消除。如果齿条的齿距大于标准理论齿距，此时齿条的齿迫使斜齿轮B顺时针旋转，带动Ⅲ轴及斜齿轮4也顺时针旋转，由此推动斜齿轮2向上移动，这时齿距误差即被消除。
2.-Z方向（向后）进给时
当床鞍带动减速箱后前进给时，输出端斜齿轮B为工作齿轮，逆时针旋转，输出端斜齿轮A为消隙齿轮。斜齿轮B始终无间隙地和斜齿条接触。类似+Z方向进给的分析，在齿条齿距小于理论齿距的时候，斜齿轮1向下移动使得斜齿轮A顺时针转动，直至消除了间隙。在齿条齿距大于理论齿距，齿条的齿迫使斜齿轮A逆时针旋转直至消除间隙。不同的齿轮副间隙，Ⅲ轴顺、逆时针旋转的角度也将不同。
图1和图2中很多环节我们都是使用胀套进行无间隙的连接，在上述结构中，各齿轮副中的间隙均可被双齿轮消隙结构消除，图1中齿轮1和齿轮2是通过专门的结构来消除这对齿轮副中的传动间隙的，但是蜗轮蜗杆传动的间隙是存在的，这间隙是如何解决的呢？