任务2　回转运动部件

知识目标：

1.了解常见的回转运动要求；

2.掌握惯量、阻尼、刚性等参数对机械传动系统动态特性的影响；

3.了解系统传动精度的主要影响因素和减少误差的主要措施。

能力目标：

1.能分析回转刀架的传动及功能实现方式；

2.能编制回转刀架的装配工艺文件；

3.能完成回转刀架的拆装实践。

【相关知识】

一、回转运动及传动部件

机电一体化系统常用的机械传动类型如表2.8所示。

齿轮传动是常见的一种回转传动方式，它具有传动比恒定、传动精度高、承载能力大、传动效率高、结构成熟等优点。

齿轮传动经常用于伺服系统的减速增矩，往往由数对啮合齿轮组成减速箱。为了获得系统较好的动态性能，应使齿轮系的等效转动惯量尽可能小，并合理分配各级传动比。

1.转动惯量

转动惯量是物体转动时惯性的度量，转动惯量越大，物体的转动状态越不容易改变。转动惯量和质量一样，是保持匀速运动或静止状态的特性参数，用字母J表示。

（1）转动惯量计算

圆柱体转动惯量：

式中　m——质量，kg；

R——圆柱体半径，m。

在机械传动系统中，齿轮、联轴器、丝杠和轴等接近于圆柱体的零件都可视为圆柱体来近似计算转动惯量。

（2）等效转动惯量

利用能量守恒定理，将传动系统的各个运动部件的转动惯量折算到特定轴（一般是电机轴）上，所获得的传动系统在特定轴上的转动惯量之和，称为等效转动惯量。

如果相邻两轴从后轴向前轴进行转动惯量的折算，则有

例如直线移动工作台折算到丝杠上的转动惯量计算方法如下。

导程为L的丝杠，驱动质量为m（含工件质量）的工作台往复移动，其传动比为

i=2π/L

则工作台折算到丝杠上的转动惯量为

式中　L——丝杠导程，m；

m——工作台及工件的质量，kg。

例：一工作台传动系统，如图2.29所示，已知丝杠的螺距L为5mm，工作台的质量m为400kg，齿轮Z1、Z2、Z3、Z4及丝杠的转动惯量J分别为：0.01kg·m2、0.15kg·m2、0.02kg·m2、0.33kg·m2、0.012kg·m2，电动机的转动惯量为0.22kg·m2，求折算到电动机轴上的总等效转动惯量。

解：系统总的转动惯量为：

（3）惯性匹配原则

机械传动系统转动惯量过大会导致机械负载增加，功率消耗加大，系统响应速度变慢，灵敏度降低，系统固有频率下降，容易产生谐振等不利影响。因此，在不影响系统刚性的前提下，系统的等效转动惯量应尽可能小。

一般情况下，负载等效转动惯量JL≤电机转动惯量JM，电机的可控性好，系统的动态特性好。

对于采用小惯量伺服电动机的伺服系统，其比值通常推荐为：

不同的机械系统对惯量匹配原则有不同的要求，惯量匹配的确定需要根据具体机械系统的需求来确定，且与伺服电动机、驱动器有关。

2.齿轮传动总传动比

机电一体化系统的传动装置在满足伺服电动机与负载的力矩匹配的同时，应具有较高的响应速度。因此，在伺服系统中，通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比，以提高伺服系统的响应速度。

设电动机的输出转矩为Tm，摩擦阻抗转矩为TLF，电动机的转动惯量为JM，电动机的角位移为θM，负载L的转动惯量为JL，齿轮系G的总传动比为i，传动模型如图2.30所示。

经计算，当负载角加速度最大时，总传动比为：

若不计摩擦阻抗转矩，即，则

上式表明：齿轮系总传动比i为最佳值时，JL换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量，此时，电动机的输出转矩一半用于加速负载，一半用于加速电动机转子，达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。

上述分析结论是忽略了传动装置的摩擦阻抗转矩的影响而得到的，实际总传动比要依据传动装置的惯量估算适当选择大一点。在传动装置设计完以后，在动态设计时，通常将传动装置的转动惯量归算为负载折算到电机轴上，并与实际负载一同考虑进行电机响应速度验算。

3.各级传动比分配

在确定了齿轮传动装置总传动比之后，可采用表2.9所示的三种设计原则，即输出轴转角误差最小的原则、等效转动惯量最小原则、质量最小原则。

下面采用等效转动惯量最小原则分析传动链的级数及传动比的分配。有关质量最小原则、输出轴转角误差最小原则的说明可以参见相关资料。

（1）小功率传动装置

电动机驱动的两级齿轮传动系统简图如图2.31所示。由于功率小，假定各主动轮具有相同的转动惯量J1，轴与轴承转动惯量忽略不计，各齿轮均为实心圆柱齿轮，且齿宽b和材料均相同，效率不计。

按照等效转动惯量最小原则，有

假定远大于1，则：

对于n级齿轮系，可得：

按照此原则计算的各传动比按“前小后大”次序分配，以确保结构的紧凑，降低传动误差。

若以传动级数为参变量，齿轮系中折算到电动机轴上的等效转动惯量JL与第一级主动齿轮的转动惯量J1之比为JL/J1，其变化与总传动比i的关系如图2.32所示。

（2）大功率传动装置

大功率传动装置传递的扭矩大，各级齿轮副的模数、齿宽、直径等参数逐级增加，各级齿轮的转动惯量差别很大。确定大功率传动装置的传动级数及各级传动比可依据图2.33、图2.34、图2.35来进行。传动比分配的基本原则仍应为“前小后大”，以保证输出轴转角误差最小。

例：设有总传动比i=256的大功率传动装置，试按等效转动惯量最小原则分配传动比。

解：查图2.33，传动级数n=3时，转动惯量比=70；n=4时，转动惯量比=35；n=5时，转动惯量比=26。兼顾到转动惯量比的大小和传动装置结构紧凑，选n=4。

查图2.34，当n=4时，第一级传动比il约为3.3。

查图2.35，在横坐标ik-1上3.3处作垂直线，与A线交于第一点，在纵坐标ik轴上查得i2≈3.7，通过该点作水平线，与B曲线相交得第二点i3≈4.24，由第二点作垂线与A曲线相交，得第三点i4≈4.95。

验算i1i2i3i4≈256，满足设计要求。

4.齿轮间隙消除

机电一体化系统的动态性能不仅仅和系统的等效转动惯量、质量有关，还直接受限于系统的间隙、阻尼、刚性、谐振频率等因素。其中，机械系统中的间隙，如齿轮传动间隙、螺旋传动间隙等，对伺服系统性能有很大影响。如一常用的齿轮传动旋转工作台伺服系统框图如图2.36所示，图中，齿轮G1、G3用于传递控制及反馈信息，G2、G4用于传递运动及力，由于它们在系统中的位置不同，各齿轮分担的任务不同，其齿隙的影响也不同。

①闭环之外的齿轮G1、G4的齿隙对系统稳定性无影响，但影响伺服精度。由于齿隙的存在，传动装置逆运行时会出现回程误差，使输出轴与输入轴之间呈非线性关系，输出滞后于输入，影响系统的精度。

②闭环之内传递动力的齿轮G2的齿隙对系统静态精度无影响，这是因为控制系统有自动校正作用。又由于齿轮副的啮合间隙会造成传动死区，若闭环系统的稳定裕度较小，则会使系统产生自激振荡，因此闭环之内动力传递齿轮的齿隙对系统的稳定性有影响。

③反馈回路上数据传递齿轮G3的齿隙既影响稳定性，又影响精度。

因此，应尽量减小或消除间隙，目前在机电一体化系统中，广泛采取各种机械消隙机构来消除齿轮副等传动副的间隙。

（1）圆柱齿轮传动副

①偏心套调整法。图2.37所示为偏心套消隙结构。电动机1通过偏心套2安装到机床壳体上，通过转动偏心套2就可以调整两齿轮的中心距，从而消除齿侧的间隙。其特点是结构简单，能传递较大扭矩，传动刚度较好，但齿侧间隙调整后不能自动补偿，又称为刚性调整法。

②轴向垫片调整法。图2.38所示为用带有锥度的齿轮来消除间隙的结构。在加工齿轮1和2时，将假想的分度圆柱面改变成带有小锥度的圆锥面，使其齿厚在齿轮的轴向稍有变化。装配时，只要改变垫片3的厚度，就能使齿轮2轴向移动，从而消除齿侧间隙。其特点是结构简单，但齿侧间隙调整后不能自动补偿。

③双片齿轮错齿调整法。这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个啮合齿轮做成宽齿轮，另一个用两片薄片齿轮组成，采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左右两侧，从而消除齿侧间隙，并且反向时不会出现死区。

图2.39所示是双片齿轮周向弹簧错齿消隙结构。在两个薄片齿轮1和2的端面均匀分布着四个螺孔，分别装上凸耳3和8。齿轮1的端面还有另外四个通孔，凸耳8可以在其中穿过，弹簧4的两端分别勾在凸耳3和调节螺钉7上。通过螺母5调节弹簧4的拉力，调节完后用螺母6锁紧。弹簧的拉力使薄片齿轮错位，即两个薄片齿轮的左右齿面分别贴在宽齿轮齿槽的左右齿面上，从而消除了齿侧间隙。其特点是齿侧间隙能自动消除，但承载能力有限。

这种结构装配好后，齿侧间隙自动消除（补偿），可始终保持无间隙啮合，是一种常用的无间隙齿轮传动结构。但采用双片齿轮错齿法调整间隙，在齿轮传动时，正向和反向旋转时分别只有一片齿轮承受扭矩，因此承载能力受到限制，并需弹簧的拉力足以克服最大扭矩，否则将会出现动态间隙。该方法属柔性调整，它适用于负荷不大的传动装置。

（2）斜齿圆柱齿轮传动副

①垫片调整法。与错齿调整法基本相同，也采用两薄片齿轮与宽齿轮啮合，两薄片斜齿轮之间的错位由两者之间的轴向距离获得。图2.40中，两薄片斜齿轮3、4中间加一垫片2，使薄片斜齿轮3、4的螺旋线错位，齿侧面相应地与宽齿轮4的左右侧面贴紧。其特点是结构简单，但存在需要反复测试齿轮的啮合情况，调节垫片的厚度才能达到要求，而且齿侧间隙不能自动补偿。

②轴向压弹簧调整法。图2.41所示是斜齿轮轴向错齿消隙结构。该结构消隙原理与轴向垫片调整法相似，所不同的是利用齿轮2右面的弹簧压力使两薄片齿轮的左右齿面分别与宽齿轮的左右齿面贴紧，以消除齿侧间隙。图2.41（a）采用的是压簧，图2.41（b）采用的是碟型弹簧。

弹簧3的压力可利用螺母5来调整，压力的大小要调整合适，压力过大会加快齿轮磨损，压力过小达不到消隙作用。这种结构齿轮间隙能自动消除，能够保持无间隙的啮合，但它只适用于负载较小的场合，而且这种结构轴向尺寸较大。

（3）锥齿轮传动机构

锥齿轮传动副间隙调整有轴向压簧调整法和周向弹簧调整法两种。如图2.42所示，在锥齿轮4的传动轴7上装有压簧5，其轴向力大小由螺母6调节，锥齿轮4在压簧5的作用下可轴向移动，从而消除了其与啮合的锥齿轮1之间的齿侧间隙。

（4）齿轮齿条传动机构

在机电一体化产品中，对于大行程传动机构往往采用齿轮齿条传动，如图2.43所示。因为其刚度、精度和工作性能不会因行程增大而明显降低，但它与其他齿轮传动一样也存在齿侧间隙，应采取消隙措施。

①双片薄齿轮错齿调整法。当传动负载小时，可采用双片薄齿轮错齿调整法，使两片薄齿轮的齿侧分别紧贴齿条的齿槽两相应侧面，以消除齿侧间隙。

②双齿轮径向加载调整法。当传动负载大时，可采用双齿轮径向加载调整法。如图2.43所示，小齿轮1、6分别与齿条7啮合，与小齿轮1、6同轴的大齿轮2、5分别与齿轮3啮合，通过预载装置4向齿轮3上预加负载，使大齿轮2、5向外伸开，与其同轴的小齿轮1、6也同时向外伸开，使其齿分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右侧，消除了齿侧间隙。齿轮3直接由液压马达驱动。

二、回转刀架运动

回转刀架（见图2.44）是数控机床使用的比较简单的一种自动换刀装置，常用的类型有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。

回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.001～0.005mm）。

1. LD4B（HAK21）系列立式电动刀架工作原理

LD4B（HAK21）系列立式电动刀架为典型的端齿盘式四工位自动回转刀架，如图2.45所示，它采用蜗轮蜗杆传动、三齿盘啮合螺杆锁紧的工作原理。

刀架动作原理及过程如下。

（1）刀架抬起

当换刀指令发出之后，电动机启动正转，通过平键套筒联轴器使蜗杆轴11转动，从而带动蜗轮旋转，蜗轮7通过平键将运动传递给螺杆9，上刀体15内孔加工有内螺纹，与螺杆旋合。螺杆9内孔与刀架中心轴——定轴8外圆是动配合，在转位换刀时，定轴固定不动，空心螺杆9环绕定轴旋转。当螺杆9转动时，由于上刀体底座和外齿轮12的端面齿处在啮合状态，且螺杆9轴向固定，这时上刀体抬起。

（2）刀架转位

当刀架体抬至一定距离后，蜗杆的转动把夹紧轮14往上抬，从而使三齿圈（内齿圈、外齿圈、夹紧齿圈）都松开，这时离合销进入离合盘16的槽内，反靠销26同时脱离反靠盘10的槽，上刀架随螺杆一起转位。

（3）刀架定位

当上刀体15转动到对应的刀位时，磁钢22与发讯盘24上的霍尔元件相对应，发出到位信号。系统收到信号后发出电机反转延时信号，电机反转。上刀体15稍有反转，反靠销26进入反靠盘10的槽中实现粗定位，离合销25脱开离合盘16的槽，由于粗定位槽的限制，上刀体15不能转动，使其在该位置垂直落下，上刀体和外齿轮12上的端面齿啮合实现精确定位。

（4）刀架反锁压紧

电动机继续反转，螺杆9继续转动，夹紧轮14向下压紧内外齿圈，随夹紧力增加，转矩不断增大，达到一定值时，实现锁紧。延时结束，电动机停止转动。主机系统指令进入下道工序。

2.转塔刀架故障分析

转塔刀架的常见故障诊断如表2.10所示。

3.故障分析实例

下面以WZD4型电动刀架为例简要介绍一种故障分析方法，假设发生故障不能使用。

（1）诊断及检测

①观察刀架体与刀架底座之间四周间隙是否均匀，且是否有扩大。

②观察刀架结构。

③启动手动换刀，观察现象。

④手动调整蜗杆轴，观察现象。

假设观察现象为：刀架体已抬升，但周边间隙均匀，用手摆动刀架，无晃动现象。手动换刀时，电动机有启动声但不能回转，刀架纹丝不动，将内六角扳手插入蜗杆轴端部，顺时针方向转不动，逆时针方向用力方可将蜗杆轴转动一定量。

（2）故障判断

刀架体与刀架底座之间四周间隙均匀，说明刀架中心轴无弯曲损坏；启用手动换刀功能时电机有启动声，可大胆排除电机故障；根据刀架抬升一段距离并扭转近45°，启动手动换刀功能刀架无回转，用内六角扳手正转蜗杆时刀架不能转动这几方面的现象，结合其机械原理，可判断为刀架内部机械卡死。可能出现的情况为：

①端面齿盘损坏，造成刀架体与刀架底座卡死；

②蜗轮螺杆与刀架体的螺旋副咬死，甚至螺纹变形；

③定位销弯曲变形或者断裂，卡在粗定位盘槽中；

④蜗杆轴轴承开裂或蜗杆副损坏。

（3）故障查询

检查电动机运转是否正常：将电动机拆下，试运转，转动正常。检查刀架内部机械装置，将蜗杆轴旋出，刀架体拆开。

①观察蜗杆轴、蜗轮以及轴承，无损坏，则蜗杆副和蜗杆轴承故障可排除；

②查看端面齿盘，无刮伤及变形现象，此项可排除；

③检查刀架体与中心轴的螺旋副，无损坏，此项可排除；

④拆粗定位盘时，比较紧，拆出后，发现一支定位销卡在粗定位盘槽中，另外一支卡在刀架体中，均明显弯曲变形，用手根本不能晃动。

由此可诊断出刀架卡死的原因为撞刀导致定位销弯曲变形，卡在粗定位盘槽和刀架体内。

（4）故障排除及相应调试

①定位销更换。定位销弯曲变形，卡在刀架体与粗定位盘锥孔中难以取出，可分别在刀架体与粗定位盘上垫上不脱毛布料，采用大力钳拔出，继而重新制作。

将定位销涂上黄油装入刀架体中，用手试压弹簧，观察弹簧是否能灵活将定位销弹出，再将定位销单独配入粗定位盘槽内，手晃动感觉配合间隙。

②安装刀架。刀架安装时先用不脱毛的棉布擦拭干净（防毛料脱落及灰尘），给机械部件上黄油（防止润滑不良而磨损）。定位销在安装时不能刮伤，否则刀架转位又可能出现卡死的现象；注意刀架体与刀架底座的端齿盘必须啮合，否则刀架不能旋转到位。安装时注意中心轴螺母锁紧力度（过紧，刀架会因预紧力过大而不能转动；过松则刀架锁不紧）。可结合手动换刀功能调试到最佳状态。

检查、试用并调整安装后，启动手动功能检查回转刀架，若出现刀架不定期过位或不到位、刀架不能锁紧，甚至用手可以晃动的现象，在确认安装机械部位无问题后，可用调整霍尔元件相对位置的方法解除，结合手动换刀功能，通过反复调节发信体与电刷的相对位置来调整。最后在加工之前采用试切的方式检查，若刀架的锁紧力度正常，则可以正常投入使用。

【任务实施】

参考图2.45，LD48系列电动刀架拆卸顺序如下。

①拆下闷头5，用内六角扳手顺时针转动蜗杆11，使内夹紧轮14松开。

②拆下铝盖20、罩座19。

③拆下刀位线，拆下小螺母23，取出发讯盘24。

④拆下大螺母18、止退圈17，取出键、轴承。

⑤取下离合盘16、离合销25及弹簧。

⑥夹住反靠销26，逆时针旋转上刀体15，取出上刀体。

⑦拆下电机罩28、电机、连接座27、轴承盖4、蜗杆11。

⑧拆下螺钉，取出定轴8、蜗轮7、螺杆9、轴承。

⑨拆下反靠盘10、防护圈13。

⑩拆下外齿轮12、夹紧轮14，取出反靠销26。

图2.46所示为电动刀架拆卸后的零部件。

装配时所有零件需清洗干净，传动部件涂上润滑脂，按与拆卸相反的顺序装配。

【思考与练习】

1.LD48系列电动刀架离合盘的作用是什么？

2.反靠销、弹簧与离合销安装时应注意的事项是什么？