行星减速机的反向间隙的测量方法

在精密减速机产品系列中, 行星减速机以其体积轻巧, 传动效率高, 减速比范围大, 传动精度高, 动态特性良好, 而被广泛应用于同步伺服电机、步进电机、直流电机等传动系统相匹配的场合。在保证精密传动的前提下, 行星减速机主要用于降低转速、增加扭矩和降低负载惯量 (或电机) 的转动惯量比。

衡量一款行星减速机性能是否优良, 有以下几个关键参数:反向间隙、传动效率、额定输出扭矩、使用寿命、减速比、运行噪音、径向受力大小、横向受力大小及工作温度等。其中反向间隙是比较关键的参数, 直截影响到精密行星减速机的输出精度。本文将就反向间隙进行分析并给出具体的测量方法。

2 反向间隙的定义

反向间隙又称回程间隙, 其定义为:将输出端固定, 输入端顺时针和逆时针方向旋转, 使输出端产生额定扭矩的±2%扭矩时, 精密减速机输入端有一个微小的角位移, 此角位移即为回程间隙, 单位是“分”, 也有人称之为背隙。

弧分与角度的关系:整圆的角度为360度, 1度为60弧分[1]。

3 反向间隙产生的原因分析

3.1 行星减速机的内部结构及运动机理

随着人们对精密行星减速机体积、工作效率和可靠性的要求越来越高, 精密的内部结构也就显得尤为重要。行星减速机内部结构如图1所示:中间的太阳轮与减速机的输入端为一体, 与周围的行星齿轮构成减速轮系;行星齿轮与输出轴相连, 并同减速机壳体的内齿轮相啮合, 构成整个传动系统。

运动时, 动力由左端输入, 通过电机带动太阳轮, 太阳轮再与行星轮进行啮合, 带动行星轮运动, 行星轮的外侧与壳体上的内齿轮相啮合。整体运行中行星轮一边作旋转运动, 一边围绕太阳轮中心作公转运动, 类似于天文上的行星系运动, 故得名行星式减速机。行星轮安装在行星架上, 行星架与输出轴为一体。

行星轮与太阳轮的半径成一定的比例, 其中减速比与太阳轮的半径有直接的关系。

当伺服电机通过精密减速机输入端高速带动太阳轮旋转时, 行星轮通过齿轮的啮合按一定的速比随之运动, 并带动输出轴旋转完成减速的过程。这样经过减速后增加了定位分辨率和精度, 同时也增大了输出扭矩。

3.2 行星减速机反向间隙的产生

行星减速机内部齿轮传动如图2所示, 一般为一个太阳轮, 带动3个行星轮进行动力传动。影响精密减速机输出精度的主要因素是齿轮精度、系统装配精度。

(1) 齿轮自身精度

齿轮自身精度与齿轮的加工工艺、齿轮加工工作母机和原材料有直截关系。齿轮加工的精度等级越高, 减速机的整体精度就越高。

(2) 装配精度

装配精度跟装配人员的素质、装配工具、检测设备等有直截关系。

精密行星减速机的整体精度直接体现在减速机的反向间隙上:反向间隙越大, 精度就越差;反之, 精度就越高。

间隙大小的实际表现形式:相互啮合的齿轮, 当从一个旋转方向改变为相反旋转反向的时候, 相互啮合的齿轮接触面脱开, 主动轮啮合齿的另一面与从动轮的另一个相邻齿开始接触。脱开和接触这两个动作, 理论上应该同时进行, 实际传动运行中, 脱开和接触的过程中会有一个小的角度间隔,。

因为有角度间隔的存在, 在行星减速机的传动上就表现为空行程的产生:同步伺服电机相连的输入端能及时响应伺服的动作, 而输出端则处于无动作状态, 导致输入端产生空行程, 从而影响了精密减速机输出的精度。

4 传统的反向间隙测量方法

4.1 采用塞规测量反向间隙

用塞规测量反向间隙的方法, 就是在一对相互啮合的齿轮中, 转动其中任意一个齿轮, 使其轮齿与另一齿轮的轮齿相互紧贴, 用塞规测量轮齿另一侧的非工作表面的反向间隙[3]。

优点:由于行星减速机的轮齿的表面很光滑, 易于塞规的插入与退出, 并且塞规作为一种普遍的测量工具, 操作很简单[4]。

缺点:在实际测量过程中, 由于一个反向间隙一般不能一次测量出结果, 需要使塞规在间隙内的松紧程度适当, 需要试探几次才行[5]。在一对齿轮从开始接触到相互离开的整个啮合期间, 非工作表面之间的间隙由于收到加工和安装的影响并不一致, 这就需要在整个啮合的范围内, 连续测量, 找出其中小的间隙当作测量结果。由于受到行星减速机结构所限, 在操作测量中, 受到操作空间的影响, 增加了实际工作量[6]。

4.2 采用咬铅条法测量反向间隙

把铅条放在齿轮副的轮齿之间, 转动齿轮对其进行滚压后的铅条相邻两边薄处的厚度之和, 就是所要测量的反向间隙。这种测量方法的特点是, 不直接得出结果, 而是要通过间接测量铅条的厚度得出[7]。

优点:对于反向间隙本身比较大的齿轮副来说, 可以使铅条在完整的情况下压制成形, 尤其是在操作空间受到限制的条件下测量, 更能突显出方便性, 因而必用塞规测量的方法在时间上相对节省一些[8]。

缺点:铅条的厚度与硬度会严重影响到反向间隙测量的精度, 在实际操作过程中不同的齿轮对铅条的厚度和硬度要求也不同。对于经验不足的工程师来讲, 增加的测量的难度。

5 基于摆杆偏摆的理论模型的背隙测量方法

5.1 摆杆偏摆的理论模型及各参数间的相互关系式

摆杆的偏摆计算模型如下图所示, 通过该模型, 可以比较直观的得到各参数间的相互关系[9]。

F[N]—减速机输出端受力

TN[N m]—减速机额定输出扭矩

r[m m]—输出端摆杆半径

α[°]—减速机实际反向间隙

β[°]—减速机标称反向间隙

x[m m]—摆杆实际偏摆距离

X zul[m m]—理论偏摆距离

5.2 反向间隙的实际测量方法

实际检测中, 要根据反向间隙的定义反向来进行测量:固定精密减速机的输入端, 以精密减速机额定输出扭矩的±2%按正、逆时针方向旋转精密减速机的输出端, 这时在精密减速机的输出端会产生一个小的角度偏差, 此角度偏差值即为我们所求的反向间隙。

因精密减速机输出轴轴径尺寸有限, 此时测量到的变化不明显, 尤其是角度测量也没有很好的工具。通常我们采用放大测量的方法:在减速机输出轴上加一半径为r的摆杆, 在半径r处施加大小为F的力, 这时在摆杆上同一点会产生前后偏摆量x, 测得此偏摆量x反推角度变化α即可。

5.3 反向间隙是否超标的判断依据

根据以上计算结果, 可通过对比两个参数来判断减速机精度是否超标:

(1) 偏摆距离比对;

如x≤X zul, 则减速机精度不存在问题。

(2) 偏摆角度比对。

如α≤β, 则行星减速机精度不存在问题。

实际工作中, 通过对比偏摆距离的方法会比较直观, 推荐用第一种方法来进行判断。此方法比较适用于现场工程人员快速判断减速机精度是否存在问题。