零传动滚齿机关键技术研究与应用

周国君

摘 要：直线电动机技术的逐渐成熟，使得直线运动开始实现零转动，即直接驱动。齿轮加工机床传动原理异常复杂、“内联”传动精确度要求非常高，直至20世纪90年代以前国内都没有“零传动”技术在齿轮加工机床中成功应用的先例。零传动高速滚齿机的关键设计技术包括：总体布局设计技术、速度匹配性设计技术、传动系统设计技术、床身及排屑系统技术设计、滚刀主轴及工件主轴直接驱动结构设计技术、直驱滚刀主轴及工件主轴编码器选取技术，本文主要针对这六项关键技术进行分析与研究。

关键词：零转动；滚齿机；精度；刚度

前言

齿轮是机械产品的重要基础零件，在机床、汽车、农机、建筑机械、工程机械、航空、兵器、工具等领域被广泛应用，其质量、性能、寿命等直接影响到各类机械的质量。随着汽车、机械、航天等工业领域的不断发展，对齿轮的要求也越来越高，同时齿轮的设计、加工、检测的要求也相应提高，齿轮的相关技术研究进入新的阶段。

1 零传动滚齿机及其关键技术的研究进展

现阶段，诸如美国Gleason-Pfauter、德国Liebherr、日本的三菱重工等国际著名的齿轮加工机床生产厂家都投入大量的人力、物力、财力研究零转动技术在齿轮加工机床中的应用，这些厂家在自己新推出的产品中都应用了零传动技术，使得齿轮加工机床的性能达到了新的高度。而目前国内锯齿加工机床，在工作台直线移动方面，采用数控驱动系统代替普通滚齿机的各种交换挂轮，驱动机床的运动部件上采用交流伺服电机通过多对降速齿轮副和一对滚珠丝杠副；采用交流伺服电机通过2-3对降速齿轮副来实现滚刀混转运动；绝大多数齿轮加工机床仍采用多对高精度齿轮副和一对高精度蜗轮蜗杆服实现工作台回转运动。

2 零传动滚齿论机设计关键技术研究

2.1 零传动滚齿机概述

零传动滚齿机是在滚齿机朝着全数控化、高速高精度、零传动、绿色环保的发展趋势下应运产生的，数控滚齿机同机械式传动机在切削原理方面相同，一是利用展成原理来加工，此方法适用于滚刀与工件齿共轭；另一方面，全数控滚齿机的各轴均独立伺服驱动，并可检测反馈，可以加工圆柱体的等分与不等分槽，同时也可对于径向进给和轴向进给实现差补运算控制，使机床完成小锥度齿轮、鼓形齿轮的加工。

2.2 零传动滚齿机需要研究的关键技术

2.2.1 滚齿机床的转动系统

传统齿轮加工机床运动关系复杂，在齿轮机床中包括主运动传动链、展成分度链、差动传动链、轴向进给传动链、径向进给传动链、切向进给转动链、刀架回转运动链等。20世纪80年代初数控技术引入齿轮加工机床，使得齿轮加工机床的技术水平有了明显的提高，同时，计算机技术的迅猛发展和高精度、高速响应伺服系统的出现，让全功能数控齿轮加工机床已成为国际市场上的主流产品。全功能数控的齿轮机床的各轴进给运动、展成运动和差动运动均为数控的。在滚刀和工作台之间采用电子齿轮箱，大大简化了机械转动结构，降低了传动误差。今年来国内外主要齿轮加工机床生产厂家都致力于缩短机床的传动链。零传动技术是机床设计和制造技术的一次重大革新，它去掉一般数控滚齿机的高精度齿轮副或蜗轮副，采用内置主轴电机、内置力矩电机分别驱动，使机床的结构得到最大限度的简化。

2.2.2 滚刀主轴-工件主轴速度

衡量滚齿机性能的一个重要指标就是滚刀主轴和工件主轴转速的高低。滚刀主轴的转速、工作台主轴的转速、轴向进给速度、各直线坐标及滚刀角度旋转调整周的快速运动速度是最能体现高效加工的机床参数。近几年，随着改善生态环境和实现清洁生产的呼吁，不使用切削液的干切削得到广泛推崇，国内外主要的齿轮加工机床厂家也都大力开发数控高速干切滚齿机，按目前的工艺，滚刀主轴的最高转速一般确定为4000rpm，最低转速确定为550rpm。工件主轴转速应与滚刀主轴转速相匹配。目前用户加工齿轮的齿数范围在6-100齿以内，当滚刀主轴最高转速达到4000rpm，此时的工件主轴转速应为400-5000rpm.按加工齿轮数为100，滚刀转速为1000-1200rpm，此时的工件主轴转速为10-12rpm，但因为还要受到其他因素影响，确定工件主轴最低转速为5rpm。

2.2.3 床身及排屑系统

床身是机床的基础大件，具备高强度和刚度、较好的抗振性和热稳定性是其结构设计中必须要做到的，现阶段采取的措施有铸件采用全封闭截面，合理布置内部隔板和肋条，导轨面加宽等。相对而言，干切削机床则有更高的要求，如床身有足够的刚性，结构简单，加工方便，重量轻，排屑顺畅，减少排屑过程中切屑传给机床部件的热量，保证热平衡等。为保证排屑畅通，需合理布置内隔热板和肋条，尽量采用对称设计，排屑横槽设计在机床的加工区域左下方，铁屑直接下落，可快速排出。

3 零转动滚齿机传动精度研究

齿轮加工的精度受加工机床的几何精度、刚度、热变形、道具质量及其安装精度、机床传动链条精度以及机床的扭振动力等特性影响，而其中其关键性作用的是机床传动链的精度。所谓传动精度就是指传动链中各环节精度对道具和工件间相对运动的均匀性和准确性的影响程度。要加工出高度精确的齿轮，加工机床的道具与工作台之间必须要有准确的速比关系，而机床的分度转动时保证速比关系准确的重要因素。随着数控技术的发展，电气转动代替传动链来实现内联动，这大大缩短了传动链的长度，减少了转动原件数量，提高了传动的精确度，实现了齿轮加工机床的数控化。在研究传动精度的时候，一定要注意机械传动机构、伺服机构、数控内联传动等等这些方面，把握好这些，才能真正提高滚齿机传动精度。

4 零转动滚齿机刚度研究

刚度是表征物体抵抗变形能力的物理量。伺服系统有两种不同的刚度，分别为机械系统的机械刚度和伺服系统的伺服刚度。机械刚度是指，机床弹性体产生单位变形量时所需要的作用力，它反映了机械元件抵抗变形的能力，如作用力为静力，则是机械静刚度，如果作用力是交变力，则是机械动刚度。伺服刚度是指伺服系统具有弹簧那样的刚性特性，如机械刚度一样，伺服刚度也分为动刚度和静刚度。其中提高驱动系统的动态伺服制度对获得高的加工精度尤为重要。直接驱动电动机直接采用电动机与被驱动载荷相连，避免了减速系统的弹性和摩擦、间隙等因素的影响，从而可以达到高精度的位置控制，另一方面，与传统的带有减速装置的伺服电动机驱动系统相比，直接驱动电动机驱动系统的控制性更容易受到转矩波动，大的转矩波动会引起直接驱动伺服系统的控制性能下降。因此在实际的应用过程中，要尽可能提高控制系统的刚度，确保加工的稳定性，减少外界干扰，保证伺服形同的稳定性。

5 结束语

因传动原理异常复杂，“内联”传动精度要求非常高，“零传动”技术在齿轮加工机床中一直未得到广泛应用，即便“干切削”、“高速切削”、“高精度切削”、“硬齿面切削”等现代加工工艺进入齿轮加工领域的今天，“零传动”齿轮加工机床依然售价很高，甚至很多国外的设计原理和技术资料都严格保密，形成技术垄断。本文通过对零传动滚齿机的研究，就是希望能对国内“零传动”滚齿机的研究设计有所启示，使国内在此领域的研究中有所突破。

参考文献

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[2]巩丽，张根保，刘润爱，等.零传动滚齿机的精度分析[J].机床与液压，2006.

[3]刘润爱，张根保.零转动齿轮加工机床关键技术研究[J].制造技术与机床，2004（12）.