王 勝

(沈陽市政府投資項目評審中心,遼寧 沈陽 110014)

大型數(shù)控回轉工作臺傳動的消隙機構設計

王 勝

(沈陽市政府投資項目評審中心,遼寧 沈陽 110014)

大型數(shù)控回轉工作臺回轉運動的結構設計是否合理,決定了數(shù)控回轉工作臺的分度精度高低以及承載能力大小，體現(xiàn)了其技術水平。重點介紹了大型數(shù)控回轉工作臺的回轉運動設計方法及雙蝸輪蝸桿消隙機構的結構和設計要點，按上述要點設計的工作臺分度精度達到了±2″。

回轉工作臺;蝸輪蝸桿消隙機構;設計

大型數(shù)控回轉工作臺是大型臥式數(shù)控銑鏜床、落地式數(shù)控銑鏜床重要的組成部件之一。在大型臥式數(shù)控銑鏜床中，它的重要程度與機床的主運動是相同的；而在落地式數(shù)控銑鏜床中，它是主要功能附件之一。大型數(shù)控回轉工作臺一般有兩個數(shù)控坐標軸，即工作臺的回轉運動(B坐標軸)和垂直于主軸軸線的水平直線運動(X坐標軸)。其中，工作臺回轉運動的傳動鏈結構復雜，要求其承載能力大、運動平穩(wěn)、分度精度高。它是大型數(shù)控回轉工作臺設計難點。

1 問題的提出

2002年，國內(nèi)多家用戶求購工作臺可承載10t的大型數(shù)控銑鏜床。由于大型數(shù)控銑鏜床工作臺的回轉定位精度高、結構復雜、設計制造難度大，國內(nèi)沒有廠家能夠生產(chǎn)這類機床。當時，中捷機床有限責任公司為了滿足用戶需求，填補該類機床的國內(nèi)空白，并借此契機擴大市場占有率，開始研發(fā)TK6513型數(shù)控刨臺臥式銑鏜床。在此之前國內(nèi)10t以上的回轉工作臺都是傳統(tǒng)機械式的,這種傳統(tǒng)機械式的回轉工作臺的快速回轉是依靠普通交流電機驅(qū)動實現(xiàn)的。當需要工作臺分度定位時，先啟動普通交流電機驅(qū)動工作臺快速回轉，回轉至接近要求的位置后，依靠人工手動微調(diào)定位，定位精度一般在±30″左右。由于普通機械式回轉工作臺采用集中傳動的方式傳動，傳動鏈長、零件多，其傳動件剛性差；且由于采用單個蝸輪蝸桿副進行降速傳動，無法消除傳動間隙，因而影響工作臺回轉的平穩(wěn)性。因此，如果沿用原來的傳動方式作為數(shù)控回轉工作臺的傳動，是不可能實現(xiàn)數(shù)控的高精度分度要求的。數(shù)控回轉工作臺回轉運動的結構設計，關鍵在于縮短傳動鏈、提高傳動件的剛性、消除傳動間隙及降低工作臺圓導軌的摩擦系數(shù)。本文以TK6513型數(shù)控刨臺臥式銑鏜床的工作臺的結構設計為例，介紹提高數(shù)控回轉工作臺回轉分度精度的設計方法。

大型數(shù)控回轉工作臺回轉運動的結構設計主要包括以下幾個方面：(1)確定傳動系統(tǒng)圖；(2)計算傳動比，初選齒形帶、齒輪及蝸輪副的模數(shù)；(3)驗算總體方案提出的伺服電機的規(guī)格型號是否合適；(4)傳動零件校核；(5)結構設計。

2 大型數(shù)控回轉工作臺回轉運動的設計

2.1傳動系統(tǒng)設計

根據(jù)回轉工作臺的具體結構和分度精度要求，本數(shù)控回轉工作臺的驅(qū)動采用了雙蝸輪蝸桿機構以消除傳動間隙。數(shù)控回轉工作臺的傳動系統(tǒng)圖如圖1所示。

傳動原理：由裝在伺服電機11軸上的小齒形帶輪12通過齒形帶10驅(qū)動大齒形帶輪9旋轉；大齒形帶輪9將旋轉運動傳遞給同軸的蝸桿軸8；蝸桿軸8通過蝸輪5將運動傳遞給小齒輪6；小齒輪6與大齒輪1嚙合驅(qū)動大齒輪1(固定在回轉工作臺上)帶動工作臺回轉。雙蝸桿中的另一傳動路線是：蝸桿軸8通過花鍵套7將運動傳給蝸桿軸4；蝸桿4通過蝸輪2將運動傳遞給小齒輪3；小齒輪3與大齒輪1嚙合同時驅(qū)動大齒輪1回轉。

1—大齒輪;2—蝸輪1;3—小齒輪1;4—蝸桿軸1;5—蝸輪2;6—小齒輪2;7—蝸桿軸2;8—花鍵套;9—大齒形帶輪;10—齒形帶;11—伺服電機;12—小齒形帶輪

這里的兩套蝸輪蝸桿副和兩個小齒輪其輪齒參數(shù)是相同的。

2.2初選傳動比、齒形帶、齒輪及蝸輪副的模數(shù)

根據(jù)工作臺的結構和總體設計要求，初選齒形帶輪傳動副的傳動比(即齒數(shù)比)為36∶72；蝸輪副的傳動比為1∶26；齒輪傳動副的傳動比(即齒數(shù)比)為17∶136。因此，總降速比為：

(1)

初定齒輪模數(shù)為5；蝸桿模數(shù)為8；同步齒形帶模數(shù)為8。

2.3驗算電機型號是否滿足要求

根據(jù)總體方案，選擇工作臺回轉運動的驅(qū)動電機型號為SIEMENS-IFT6105-IAC71交流伺服電機。此電機額定轉速n=2 000r/min，電機輸出功率P=8kW，電機額定轉矩M=38N·m。

經(jīng)計算，電機的轉動慣量、額定扭矩、轉速滿足要求。

2.4傳動零件設計與校核(以蝸輪蝸桿副為例)

a.蝸輪、蝸桿的設計。

設計初選的蝸桿齒數(shù)為Z1=1，蝸輪的齒數(shù)為Z2=26。根椐機械設計手冊[1]表23.5-8，蝸輪、蝸桿的設計應滿足接觸強度公式：

m2d1≥(15 000/σHPZ2)2KT2=3 747.9mm3

通過機械設計手冊[1]表23.5-2，查得蝸桿的模數(shù)m為8，直徑d1為80mm，計算出許用值為：m2d1=5 120 mm3。

許用值5 120mm3大于計算值3 747.9 mm3。因此，接觸強度符合要求。

b.蝸輪、蝸桿的接觸強度校核。

根椐機械設計手冊[1]表23.5-8,接觸應力校核公式為：

(2)

式中：彈性模數(shù)ZE由表23.5-9查得，ZE=156N/mm2；由表23.5-10查得，使用系數(shù)KA=1；動載系數(shù)Kv=1；齒向載荷分布系數(shù)Kβ=1.1；蝸輪分度圓直徑d2=mZ2=208mm。

將這些數(shù)據(jù)代入式(2)，計算得σH=140.23N/mm2≤220N/mm2，因此接觸強度滿足條件。

c.輪齒彎曲強度的校核。

根椐機械設計手冊[1]表23.5-8，彎曲強度校核公式為：

(3)

式中：YFS為蝸輪的齒形系數(shù)，按ZV2=Z2/cos3γ=26.4及變位系數(shù)x=0，查圖23.2-24得YFS=4.2；導程角系數(shù)Yβ=1-γ/120°=0.952。

將這些數(shù)據(jù)代入式(3)，得σF=11.9N/mm2<59N/mm2，因此輪齒彎曲強度滿足條件。

2.5雙蝸輪蝸桿消隙機構的結構設計

為了消除數(shù)控回轉工作臺的傳動間隙，提高分度定位精度，本設計采用了雙蝸輪蝸桿消隙機構。雙蝸輪蝸桿消隙機構簡圖如圖2所示。

a.雙蝸輪蝸桿消隙結構的消隙原理。所謂雙蝸輪蝸桿消除間隙方法實際是在傳動鏈中采用了一個驅(qū)動源，通過雙齒輪、雙蝸輪蝸桿的并聯(lián)結構傳動最終驅(qū)動一個部件的傳動形式，也就是在結構中設置了兩個同軸的雙蝸桿，在傳動過程中，兩個蝸桿同時驅(qū)動兩個蝸輪和與蝸輪同軸的小齒輪同向回轉。為了達到消除傳動間隙的目的，兩個蝸桿之間的軸向位置可以調(diào)整。在傳動鏈的結構中，蝸桿6的軸向位置是固定不動的，為消除傳動系統(tǒng)中出現(xiàn)的傳動間隙，通過旋轉鎖緊螺母13向左拉動蝸桿10，使得小齒輪7和小齒輪11的內(nèi)側齒面分別與大齒輪1的左右齒面緊密嚙合，使其嚙合齒側間隙為零，即達到消除傳動間隙的目的。

b.雙蝸輪蝸桿消隙機構的設計要點。

1—大齒輪;2—大齒形帶輪;3—齒形帶;4—伺服電機;5—小齒形帶輪；6—蝸桿軸1;7—小齒輪1;

(1)為了保證齒輪傳動的平穩(wěn)性及消除間隙的預載的恒定性，蝸輪、蝸桿及齒輪的精度不能低于5級；(2)由于消隙機構有一定的預載，其傳動件的設計強度、剛度要高于設計手冊給定的推薦值；(3)軸承要選擇高剛度型號；(4)潤滑一定要充分；(5)結構設計要保證調(diào)整的方便性。

3 結論

經(jīng)過TK6513型數(shù)控刨臺臥式銑鏜床樣機的試制,數(shù)控回轉工作臺其各項精度指標達到了設計任務書的指標要求，工作臺的分度精度達±2″。這種雙蝸輪蝸桿消隙機構可廣泛用于數(shù)控回轉工作臺的回轉傳動中。

[1] 徐灝. 機械設計手冊[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 1991.

DesignofAnti-backlashMechanismforLargeCNCRotaryTable

WANG Sheng

(Shenyang Government Investment Project Evaluation Center, Liaoning Shenyang, 110014, China)

The structural design of rotary movement for large CNC rotary table is reasonable decision table indexing such as accuracy, load capacity and overall level of technology. Aiming at the architecture and design elements, it shows detail about large CNC motion feature of the rotary table and two worm backlash institutions, designs the anti-backlash mechanism, the indexing accuracy of the table reaches ±2″.

Rotary Table; Double Worm Gear Backlash Mechanism; Design

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.03.018

2013-10-14

王勝(1965—)，男，遼寧大連人，沈陽市政府投資項目評審中心高級工程師，碩士，主要從事機械設計與制造領域工程技術研究及管理工作。

TH122

B

2095-509X(2014)03-0068-03