CN104343900B - 一种滚齿机传动机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滚齿机传动机构，包括第一原动机和第二原动机、合成机构以及滚刀轴输出端、工件轴输出端和滚刀架输出端；所述第一原动机依次通过第一换置机构和第二换置机构与所述滚刀轴输出端连接；所述第一换置机构通过第三换置机构与所述合成机构的第一输入端连接；所述第二原动机通过第四换置机构与所述合成机构的第二输入端连接；所述合成机构的输出端通过第五换置机构与所述工件轴输出端连接，以及通过第六换置机构与所述滚刀架输出端连接。本发明所述的一种滚齿机传动机构通过合成机构将第一原动机和第二原动机的运动混合输出至工件轴输出端，仅需改变第二原动机的转速即可方便地调整与第一原动机连接的滚刀轴输出端和工件轴输出端的传动比。

Description

一种滚齿机传动机构

技术领域

本发明属于机械传动领域，具体涉及了一种内联系传动链。

背景技术

范成加工法是获得准确的齿轮齿廓的加工方法，该方法的本质是造成齿轮刀具和被加工齿轮之间的运动关系等同于齿数分别等于齿轮刀具齿数和工件齿轮齿数的两个齿轮之间的啮合关系。滚齿机则是基于范成加工法的机床之一，其加工刀具是齿轮滚刀，滚刀相当于齿数为1～3(多数情况下为1)的大螺旋角斜齿轮。滚齿机主要用于加工圆柱齿轮，包括圆柱直齿轮和斜齿轮。它是在齿轮毛坯上直接切齿的机床，在所有直接切齿的机床中加工效率最高，特别是对于圆柱斜齿轮的加工。它与剃齿机、磨齿机等精加工机床配合，成为圆柱齿轮加工主流工艺的支持装备，在机械制造领域中具有重要的意义。

在目前的机器设备中，滚齿机的机械传动方案有纯机械式和数控式两种形式。

纯机械传动的滚齿机上，设定范成运动关系(即滚刀与被加工齿轮之间的传动比)的典型方法是利用交换齿轮(通常称为挂轮)。生产厂家为每台滚齿机配套提供一套交换齿轮，交换齿轮要配齐一定数值范围内的全部齿数，通常一套有几十个齿轮。机床的使用者针对被加工齿轮的齿数、螺旋角的具体数值，经过人工计算后选择几个交换齿轮(通常可选3对)安装在挂轮架上。这种计算可能需要反复进行，直到获得满足精度的结果，目前已经有用户开发了挂轮计算程序，但是其可信程度有待检验。由于齿轮齿数是整数，所以有些情况下无法获得严格准确的交换齿轮。交换齿轮一旦设置好之后，机床工作过程的传动则比较可靠。纯机械式滚齿机的突出缺点是灵活性很差，每当工件齿轮齿数改变，就要计算、安装一次交换齿轮。在厂家配套的整套交换齿轮中，未使用到的当然处于备用状态或者闲置状态。极端情况是机床服役直至报废为止，仍然有些交换齿轮从未使用过，这是一种隐形的浪费。

数控式滚齿机主要基于所谓电子齿轮方法而建立传动系统。利用电子信息处理系统和伺服驱动机构来改变传动比，滚刀轴和工件轴各自分别受控于一台独立的调速电动机，而两台调速电动机同时由一个电子信息处理系统所控制。传动比由电子信息处理系统所决定。这种传动系统的优点是传动比可以精确设置、精细调整，特别适合于数控机床。但是由于目前的伺服驱动技术水平所限制，调速电动机及其配套的伺服驱动装置的功率比较小，对于数控式滚齿机向大型机床方向拓展造成一时难以逾越的障碍。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新型的滚齿机传动机构，以解决现有滚齿机传动机构的运动调整不方便的技术缺陷。

为此，本发明所述的一种滚齿机传动机构采用的技术方案如下：

一种滚齿机传动机构，包括第一原动机和第二原动机、合成机构以及滚刀轴输出端、工件轴输出端和滚刀架输出端；

所述第一原动机依次通过第一换置机构和第二换置机构与所述滚刀轴输出端连接；

所述第一换置机构通过第三换置机构与所述合成机构的第一输入端连接；

所述第二原动机通过第四换置机构与所述合成机构的第二输入端连接；

所述合成机构的输出端通过第五换置机构与所述工件轴输出端连接，以及通过第六换置机构与所述滚刀架输出端连接。

作为一种优选的技术方案，所述第一原动机包括异步电机，所述第二原动机包括调速电机。

作为一种优选的技术方案，所述合成机构包括运动自由度为2的差动齿轮系结构。

作为一种优选的技术方案，所述第一至第六换置机构包含交换齿轮、滑移齿轮机构、离合器变向机构和挂轮换向机构、变速箱中的一种或多种。

作为一种优选的技术方案，所述第三换置机构为串联的多级滑移齿轮组变速器。

作为一种优选的技术方案，所述第三换置机构为串联的4级滑移齿轮组变速器，其中，第一至第四级滑移齿轮组依次为：

$\left(\begin{array}{c}78/26\\ 24/80\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}49/45\\ 47/47\\ 45/49\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}44/34\\ 39/39\\ 34/44\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}56/26\\ 41/41\\ 26/56\end{array}\right).$

作为一种优选的技术方案，所述第二换置机构为滑移齿轮组变速器，各齿轮组的齿数为：

$\left(\begin{array}{c}31/39\\ 35/35\\ 27/43\end{array}\right).$

本发明所述的一种滚齿机传动机构通过合成机构将第一原动机和第二原动机的动力混合输出至工件轴输出端，从而仅仅需要改变第二原动机的转速即可方便调整与第一原动机连接的滚刀轴输出端和工件轴输出端的传动比。由于滚刀架输出端和工件轴输出端同时存在第一原动机的动力输出，因此，在保持第二原动机功率一定的情况下，可以提高第一原动机的功率，从而可以提高整个传动链的可控功率，为大型的数控加工机床提供一种灵活的大功率内联系传动链；或者在保持滚齿机传动机构的可控功率的前提下，能够使用功率比较小、价格低廉的控制电机作为第二原动机，从而可以实现降低整个传动链的成本，为经济型数控加工机床的实现提供基础。

另外一方面，本发明通过将第三换置机构设为多级滑移齿轮组进行变速，将滚齿机的加工齿数范围划分成若干区段，对每个区段确定一个基准齿数，以该基准齿数决定一个速比，相应地安排滑移齿轮组的一种串接组合，作为一个档位。该速比值优选以等比数列公比值的某个整数幂为依据，进行足够精度的有理化，并且合理化而获得。对于某个基准齿数所在区段中的所有加工齿数，均利用对应档位决定的第三换置机构的值确定粗调整，并结合适当的调速补偿进行细调整而获得。由于可以按照一定等区段划分(例如按照比数列的区段进行划分)，使得任何区段内的调速电动机的补偿转速不会超过预设的范围。

附图说明

图1是本发明所述滚齿机传动机构一实施方式的结构示意图；

图2是本发明所述滚齿机传动机构一实施方式中所述合成机构的结构示意图；

图3是本发明所述滚齿机传动机构一实施方式的结构示意图；

图中：

10：第一原动机；11：第一换置机构；12：第三换置机构；121：第一级滑移齿轮组；122：第二级滑移齿轮组；123：第三级滑移齿轮组；124：第四级滑移齿轮组；13：第二换置机构；20：第二原动机；21：第四换置机构；30：合成机构；31：第一齿轮；32：第二齿轮；33：内齿轮；34：行星架；40：滚刀轴输出端；50：工件轴输出端；51：第五换置机构；60：滚刀架输出端；61：第六换置机构。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施例进行清楚、完整地说明。显然，所描述的实施例为本发明较佳的实施方式，所述描述是以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围，本发明的保护范围应当以权利要求书所界定为准。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，图1是本发明所述滚齿机传动机构一实施方式的结构示意图。在图1示出的实施方式中，该结构的滚齿机传动机构包括第一原动机10和第二原动机20、合成机构30，以及滚刀轴输出端40、工件轴输出端50和滚刀架输出端60。其中，原动机是指利用能源产生原动力的设备，例如，按照转换能源的类型，可以分为热力发动机、水力发动机、风力发动机和电动机等。在本发明的实施方式中，该原动机可以是电动机。在本实施方式中，所述第二原动机20是精密控制输出量的电机，例如可以包括控制器，所述第二原动机20可以是与所述控制器对应的伺服电机，例如额定功率为0.5kw，调速范围为0～1000r/min。所述第一原动机10包括电机，例如大功率的异步电机，其额定功率可以是4kw，设置额定转速为1430r/min。此外，在一些优选的实施方式中，滚刀轴输出端40与滚齿机的滚刀连接，工件轴输出端50与滚齿机的工作台连接，滚刀架输出端60与滚齿机的滚刀架连接。

由于工件轴输出端50和滚刀轴输出端40同时存在第一原动机10和第二原动机20的动力输出，因此，在保持第二原动机20功率一定的情况下，提高第一原动机10的功率，从而可以提高整个传动链的可控功率，为大型的数控加工机床提供一种灵活的大功率的滚齿机传动机构。因此，可以使用控制精度较低、但功率较大的电机作为第一原动机10；或者在保持内联系传动链的可控功率的前提下，能够使用功率比较小、价格低廉的控制电机作为第二原动机20，从而可以实现降低整个传动机构的成本，为经济型滚齿机传动机构的实现提供基础。

在图1示出的实施方式中，该结构的滚齿机传动机构还包括第一换置机构11、第二换置机构13、第三换置机构12、第四换置机构21、第五换置机构51和第六换置机构61。在一些优选的实施方式中，所述第一原动机10依次通过第一换置机构11和第二换置机构13与所述滚刀轴输出端40连接。所述第一换置机构11通过第三换置机构12与所述合成机构30的第一输入端连接。所述第二原动机20通过第四换置机构21与所述合成机构30的第二输入端连接。所述合成机构30的输出端通过第五换置机构51与所述工件轴输出端50连接，以及通过第六换置机构61与所述滚刀架输出端60连接。合成机构30用于将第一原动机10和第二原动机20的动力进行混合输出至工件轴输出端50和滚刀架输出端60。这样，第一原动机10的动力依次通过第一换置机构11和第二换置机构13传输至滚刀轴输出端40；此外，第一原动机10的动力还经过第一换置机构11、第三换置机构12传输至合成机构30的第一输入端；第二原动机20的动力经过第四换置机构21传递至合成机构30的第二输入端。然后，合成机构30将第一原动机10和第二原动机20的动力混合后，经过第五换置机构51输出至工件轴输出端50，经第六换置机构61输出至滚刀架输出端60。

因此，该实施方式下的滚齿机传动机构可以通过调节第二原动机20的速度来精细调整工件轴输出端50和滚刀轴输出端40之间的速度关系，实现工件轴输出端50和滚刀轴输出端40之间的传动比的精细调整。其中，所述的换置机构是指可以变换传动比和/或传动方向的机构，例如交换齿轮、滑移齿轮机构、离合器变向机构和挂轮换向机构、变速箱，这些置换机构的传动比可以做一些有限度的改变，但并非可以任意调整。因此，所述的第一换置机构11、第二换置机构13、第三换置机构12、第四换置机构21、第五换置机构51和第六换置机构61可以包含但不限于交换齿轮、滑移齿轮机构、离合器变向机构和挂轮换向机构、变速箱中的一种或多种，本领域技术人员可以根据需要选择上述的一种或多种机构进行设置，以满足特定传动比和/或传动方向的需求。

参见图2，图2是本发明所述滚齿机传动机构一实施方式中所述合成机构30的结构示意图。图2示出的合成机构30包括一个运动自由度为2的差动齿轮系结构，尤其是一个包括运动自由度为2的行星差动齿轮系结构。该合成机构30包括三个齿轮：第一齿轮31、第二齿轮32、内齿轮33和行星架34，构成具有2个自由度的行星差动轮系。第一齿轮31的中轴线与内齿轮33重合，并且与第二齿轮32啮合。第二齿轮32的一端与行星架34连接，并且与内齿轮33啮合；行星架34的转动轴从内齿轮33的中心处(图2所示)或者第一齿轮31的中心处(图2未表示)穿出，经第五换置机构51与工件轴输出端50连接，以及通过第六换置机构61与滚刀架输出端60连接。另外，在本实施方式中，第一齿轮31的连接轴连接第二原动机20，内齿轮33连接第一原动机10。

假定第一、第二、第三、第四、第五和第六换置机构的传动比分别为u_g、u₁、u_H、u_a、u₂、u_f、，第一原动机10的运动速度为n₀、第二原动机20的运动速度为n_s、滚刀轴输出端40的运动速度为n₁，工件轴输出端的运动速度为n₂，滚刀架输出端60的运动速度为v_f。结合图1和和图2可以看出，滚刀轴输出端40的运动是由第一原动机10经第一换置机构11和第二置换机构13传输，因此，滚刀轴输出端40的速度n₁为：

n₁＝u_gu₁n₀

工件轴输出端50的运动经由第一原动机10和第二原动机20共同通过合成机构30驱动，其速度n₂为：

n₂＝u₂(k₁u_gu_Hn₀+k₂u_an_s)；

其中，k₁、k₂是与合成机构30结构有关的参数。

因此，滚刀轴输出端40与工件轴输出端50之间的传动比为：

$i_{12}=\frac{n_1}{n_2}=\frac{u_1{u}_g}{u_2(k_1{u}_g{u}_H+k_2{u}_a\·n_s/n_0)}.$

可以看出，n_s的加入改变了滚刀轴与工件轴之间的传动比。当n_s的方向与n₀的方向相同，n₂会随着n_s数值的增大而增大，则此传动比随之相应地减小；反之，当n_s的方向与n₀的方向相反，n₂会随着n_s数值的增大而减小，则传动比随之相应地增大。第二原动机20可以使用精密控制运动控制器和伺服电机实现，使得运行速度n_s数值由电子信息系统设置并精确地控制，因此传动链的传动比就能够按照机器使用的要求精确地实现，并且随着使用要求的改变而随时改变。

在一些优选实施方式中，在合成机构30为图2示出的行星差动齿轮系的结构下，如果第一齿轮31和内齿轮33的齿数分别为z_A、z_B，则：

$k_1=\frac{z_B}{z_A+z_B}$

$k_2=\frac{z_A}{z_A+z_B}$

在一些优选的实施方式中，记第二齿轮的齿数为z_C，取z_A＝z_C，则z_B＝3z_A，得到参数：

$k_1=\frac{z_B}{z_A+z_B}=\frac{3}{4},k_2=\frac{z_A}{z_A+z_B}=\frac{1}{4}.$

本发明实施方式所述的一种滚齿机传动机构通过合成机构30将第一原动机10和第二原动机20的动力混合输出至工件轴输出端50，从而仅仅需要改变第二原动机20的转速即可方便调整与第一原动机10连接的滚刀轴输出端40和工件轴输出端50的传动比。由于滚刀轴输出端40和工件轴输出端50同时存在第一原动机10的动力输出，因此，在保持第二原动机20功率一定的情况下，可以提高第一原动机10的功率，从而可以提高整个传动链的可控功率，为大型的数控加工机床提供一种灵活的大功率内联系传动链；或者在保持内联系传动链的可控功率的前提下，能够使用功率比较小、价格低廉的控制电机作为第二原动机20，从而可以降低整个传动链的成本，为经济型数控加工机床的实现提供基础。

显而易见的是，依赖第二原动机20的速度对传动比的调节并非毫无限制的，在一定范围内，精确调节第二原动机20的转动速率和方向可以实现传动比的控制，超出预设范围后，则会不可避免地出现调节失常。由于滚齿机的加工齿数处于一个较大的范围内，对转速的控制范围要求也非常大。

参见图3，图3是本发明所述滚齿机传动机构一实施方式的结构示意图。在图1和图2示出的实施方式的基础上，图3示出的实施方式中，将第三换置机构12设置为多级滑移齿轮组变速的形式，其设计思路如下。

1)将滚齿机的加工齿数范围划分成若干区段。在本实施方式中，可以借鉴机床参数配置的一般方法，按照等比数列将加工齿数范围划分成54个区段。

2)对每个区段确定一个基准齿数，以该基准齿数决定一个速比，相应地安排滑移齿轮组的一种串接组合，称为一个档位。该速比值是以等比数列公比值的某个整数幂为依据，进行足够精度的有理化，并且合理化而获得。

3)某个基准齿数所在区段中的所有加工齿数，均利用对应档位决定的第三换置机构12的传动比确定粗调整，并结合适当的调速补偿进行细调整而获得。由于等比数列的区段划分，使得任何区段内的调速电动机的补偿转速不会超过规定范围。

根据上述思路所划分方法，第三换置机构12优选用4组滑移齿轮组实现，第一级滑移齿轮组121、第二级滑移齿轮组122、第三级滑移齿轮组123、第四级滑移齿轮组124齿数组合的依次为：

$\left(\begin{array}{c}78/26\\ 24/80\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}49/45\\ 47/47\\ 45/49\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}44/34\\ 39/39\\ 34/44\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}56/26\\ 41/41\\ 26/56\end{array}\right).$

因此，用多级滑移齿轮组一种串级组合，就可以获得一个非常接近理想范成传动结果的工件轴输出端50的转速n₂。而微小的转速差则由第二原动机20产生的转动量进行补偿，使得合成的转速恰好达到理想的结果。对于圆柱斜齿轮加工，需要根据刀架进给速度v_f，严格成比例地在工件轴叠加一个附加运动量Δn₂，这也将由调速电动机产生的转动量进行补偿。

在图3所示的实施方式中，图中示出的齿轮旁边的数字为齿数。在左侧由上向下有4排3个滑移齿轮组，最上方的滑移齿轮组为第二换置机构13，用于滚刀主轴变速用，其齿数组合为：

$\left(\begin{array}{c}31/39\\ 35/35\\ 27/43\end{array}\right).$

往下三组以及右方的是齿数匹配变速组，决定齿数的档位。合成机构30的出口处安排3个18齿的齿轮，利用中间齿轮的滑移来改变工件轴的转向。在当前的技术发展阶段，本发明提供的传动方案更适合于大型滚齿机之用。

从上述实施方式可以看出，滚齿机传动机构由电子驱动的第二原动机20(调速电动机)产生转速的少量改变，从而在基准齿数的基础上细微地调整工件轴的转速，使之恰好达到所加工齿轮的齿数所要求的工件轴转速和功率。

本发明实施方式通过将第三换置机构12设为多级滑移齿轮组进行变速，将滚齿机的加工齿数范围划分成若干区段，对每个区段确定一个基准齿数，以该基准齿数决定一个速比，相应地安排滑移齿轮组的一种串接组合，作为一个档位。该速比值优选以等比数列公比值的某个整数幂为依据，进行足够精度的有理化，并且合理化而获得。对于某个基准齿数所在区段中的所有加工齿数，均利用对应档位决定的第三换置机构12的值确定粗调整，并结合适当的调速补偿进行细调整而获得。由于可以按照一定等区段划分(例如按照比数列的区段进行划分)，使得任何区段内的调速电动机的补偿转速不会超过预设的范围。

应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。

Claims (6)

1.一种滚齿机传动机构，其特征在于，包括第一原动机和第二原动机、合成机构以及滚刀轴输出端、工件轴输出端和滚刀架输出端；

所述第一原动机依次通过第一换置机构和第二换置机构与所述滚刀轴输出端连接；

所述第一换置机构通过第三换置机构与所述合成机构的第一输入端连接；

所述第二原动机通过第四换置机构与所述合成机构的第二输入端连接；

所述合成机构的输出端通过第五换置机构与所述工件轴输出端连接，以及通过第六换置机构与所述滚刀架输出端连接；

所述第三换置机构为串联的4级滑移齿轮组变速器，其中，第一至第四级滑移齿轮组的齿数依次为：

$\left(\begin{array}{c}78/26\\ 24/80\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}49/45\\ 47/47\\ 45/49\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}44/34\\ 39/39\\ 34/44\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}56/26\\ 41/41\\ 26/56\end{array}\right).$

2.如权利要求1所述的一种滚齿机传动机构，其特征在于，所述第一原动机包括异步电机，所述第二原动机包括调速电机。

3.如权利要求1所述的一种滚齿机传动机构，其特征在于，所述合成机构包括运动自由度为2的差动齿轮系结构。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种滚齿机传动机构，其特征在于，所述第一至第六换置机构包含交换齿轮、滑移齿轮机构、离合器变向机构和挂轮换向机构中的一种或多种。

5.如权利要求4所述的一种滚齿机传动机构，其特征在于，所述第三换置机构为串联的多级滑移齿轮组变速器。

6.如权利要求1所述的一种滚齿机传动机构，其特征在于，所述第二换置机构为滑移齿轮组变速器，各齿轮组的齿数为：

$\left(\begin{array}{c}31/39\\ 35/35\\ 27/43\end{array}\right).$