行星減速機的反向間隙的測量方法

在精密減速機產品系列中, 行星減速機以其體積輕巧, 傳動效率高, 減速比范圍大, 傳動精度高, 動態特性良好, 而被廣泛應用于同步伺服電機、步進電機、直流電機等傳動系統相匹配的場合。在保證精密傳動的前提下, 行星減速機主要用于降低轉速、增加扭矩和降低負載慣量 (或電機) 的轉動慣量比。

衡量一款行星減速機性能是否優良, 有以下幾個關鍵參數:反向間隙、傳動效率、額定輸出扭矩、使用壽命、減速比、運行噪音、徑向受力大小、橫向受力大小及工作溫度等。其中反向間隙是比較關鍵的參數, 直截影響到精密行星減速機的輸出精度。本文將就反向間隙進行分析并給出具體的測量方法。

2 反向間隙的定義

反向間隙又稱回程間隙, 其定義為:將輸出端固定, 輸入端順時針和逆時針方向旋轉, 使輸出端產生額定扭矩的±2%扭矩時, 精密減速機輸入端有一個微小的角位移, 此角位移即為回程間隙, 單位是“分”, 也有人稱之為背隙。

弧分與角度的關系:整圓的角度為360度, 1度為60弧分[1]。

3 反向間隙產生的原因分析

3.1 行星減速機的內部結構及運動機理

隨著人們對精密行星減速機體積、工作效率和可靠性的要求越來越高, 精密的內部結構也就顯得尤為重要。行星減速機內部結構如圖1所示:中間的太陽輪與減速機的輸入端為一體, 與周圍的行星齒輪構成減速輪系;行星齒輪與輸出軸相連, 并同減速機殼體的內齒輪相嚙合, 構成整個傳動系統。

運動時, 動力由左端輸入, 通過電機帶動太陽輪, 太陽輪再與行星輪進行嚙合, 帶動行星輪運動, 行星輪的外側與殼體上的內齒輪相嚙合。整體運行中行星輪一邊作旋轉運動, 一邊圍繞太陽輪中心作公轉運動, 類似于天文上的行星系運動, 故得名行星式減速機。行星輪安裝在行星架上, 行星架與輸出軸為一體。

行星輪與太陽輪的半徑成一定的比例, 其中減速比與太陽輪的半徑有直接的關系。

當伺服電機通過精密減速機輸入端高速帶動太陽輪旋轉時, 行星輪通過齒輪的嚙合按一定的速比隨之運動, 并帶動輸出軸旋轉完成減速的過程。這樣經過減速后增加了定位分辨率和精度, 同時也增大了輸出扭矩。

3.2 行星減速機反向間隙的產生

行星減速機內部齒輪傳動如圖2所示, 一般為一個太陽輪, 帶動3個行星輪進行動力傳動。影響精密減速機輸出精度的主要因素是齒輪精度、系統裝配精度。

(1) 齒輪自身精度

齒輪自身精度與齒輪的加工工藝、齒輪加工工作母機和原材料有直截關系。齒輪加工的精度等級越高, 減速機的整體精度就越高。

(2) 裝配精度

裝配精度跟裝配人員的素質、裝配工具、檢測設備等有直截關系。

精密行星減速機的整體精度直接體現在減速機的反向間隙上:反向間隙越大, 精度就越差;反之, 精度就越高。

間隙大小的實際表現形式:相互嚙合的齒輪, 當從一個旋轉方向改變為相反旋轉反向的時候, 相互嚙合的齒輪接觸面脫開, 主動輪嚙合齒的另一面與從動輪的另一個相鄰齒開始接觸。脫開和接觸這兩個動作, 理論上應該同時進行, 實際傳動運行中, 脫開和接觸的過程中會有一個小的角度間隔,。

因為有角度間隔的存在, 在行星減速機的傳動上就表現為空行程的產生:同步伺服電機相連的輸入端能及時響應伺服的動作, 而輸出端則處于無動作狀態, 導致輸入端產生空行程, 從而影響了精密減速機輸出的精度。

4 傳統的反向間隙測量方法

4.1 采用塞規測量反向間隙

用塞規測量反向間隙的方法, 就是在一對相互嚙合的齒輪中, 轉動其中任意一個齒輪, 使其輪齒與另一齒輪的輪齒相互緊貼, 用塞規測量輪齒另一側的非工作表面的反向間隙[3]。

優點:由于行星減速機的輪齒的表面很光滑, 易于塞規的插入與退出, 并且塞規作為一種普遍的測量工具, 操作很簡單[4]。

缺點:在實際測量過程中, 由于一個反向間隙一般不能一次測量出結果, 需要使塞規在間隙內的松緊程度適當, 需要試探幾次才行[5]。在一對齒輪從開始接觸到相互離開的整個嚙合期間, 非工作表面之間的間隙由于收到加工和安裝的影響并不一致, 這就需要在整個嚙合的范圍內, 連續測量, 找出其中小的間隙當作測量結果。由于受到行星減速機結構所限, 在操作測量中, 受到操作空間的影響, 增加了實際工作量[6]。

4.2 采用咬鉛條法測量反向間隙

把鉛條放在齒輪副的輪齒之間, 轉動齒輪對其進行滾壓后的鉛條相鄰兩邊薄處的厚度之和, 就是所要測量的反向間隙。這種測量方法的特點是, 不直接得出結果, 而是要通過間接測量鉛條的厚度得出[7]。

優點:對于反向間隙本身比較大的齒輪副來說, 可以使鉛條在完整的情況下壓制成形, 尤其是在操作空間受到限制的條件下測量, 更能突顯出方便性, 因而必用塞規測量的方法在時間上相對節省一些[8]。

缺點:鉛條的厚度與硬度會嚴重影響到反向間隙測量的精度, 在實際操作過程中不同的齒輪對鉛條的厚度和硬度要求也不同。對于經驗不足的工程師來講, 增加的測量的難度。

5 基于擺桿偏擺的理論模型的背隙測量方法

5.1 擺桿偏擺的理論模型及各參數間的相互關系式

擺桿的偏擺計算模型如下圖所示, 通過該模型, 可以比較直觀的得到各參數間的相互關系[9]。

F[N]—減速機輸出端受力

TN[N m]—減速機額定輸出扭矩

r[m m]—輸出端擺桿半徑

α[°]—減速機實際反向間隙

β[°]—減速機標稱反向間隙

x[m m]—擺桿實際偏擺距離

X zul[m m]—理論偏擺距離

5.2 反向間隙的實際測量方法

實際檢測中, 要根據反向間隙的定義反向來進行測量:固定精密減速機的輸入端, 以精密減速機額定輸出扭矩的±2%按正、逆時針方向旋轉精密減速機的輸出端, 這時在精密減速機的輸出端會產生一個小的角度偏差, 此角度偏差值即為我們所求的反向間隙。

因精密減速機輸出軸軸徑尺寸有限, 此時測量到的變化不明顯, 尤其是角度測量也沒有很好的工具。通常我們采用放大測量的方法:在減速機輸出軸上加一半徑為r的擺桿, 在半徑r處施加大小為F的力, 這時在擺桿上同一點會產生前后偏擺量x, 測得此偏擺量x反推角度變化α即可。

5.3 反向間隙是否超標的判斷依據

根據以上計算結果, 可通過對比兩個參數來判斷減速機精度是否超標:

(1) 偏擺距離比對;

如x≤X zul, 則減速機精度不存在問題。

(2) 偏擺角度比對。

如α≤β, 則行星減速機精度不存在問題。

實際工作中, 通過對比偏擺距離的方法會比較直觀, 推薦用第一種方法來進行判斷。此方法比較適用于現場工程人員快速判斷減速機精度是否存在問題。