CN114593195A - 一种基于行星齿轮减速器的旋转工作台 - Google Patents

Abstract

为了解决现有技术方案中的成本高、传动效率低、体积大、传动背隙等问题，本发明提出了一种基于行星齿轮减速器的旋转工作台。本发明提供的于行星齿轮减速器的旋转工作台，当仅有C轴时，C轴转台电机没有装在C轴转台上，减小了转台体积，留出更灵活的机床工作空间；当增加了摇篮(C轴+A轴)结构时，由于C轴转台电机没有装在C轴转台上，从而减小了A轴负载，使得A轴的有效功率得到提高；同时，本发明还采用精密行星齿轮进行减速，比起直驱电机方案传动刚性高、负载惯量适应性强；比蜗轮副方案效率高，功率密度大。

Description

一种基于行星齿轮减速器的旋转工作台

技术领域

本发明涉及一种旋转工作台，具体涉及一种基于行星齿轮减速器的旋转工作台。

背景技术

目前，常见旋转工作台的设计方案分为三种，分别是直驱力矩电机方案、蜗轮副减速方案以及齿轮减速方案，以下就三种方案进行具体说明：

1】直驱电机方案

作为直驱电机的代表：西门子直驱力矩电机的位置控制一般采用高精度圆光栅进行全闭环反馈，台面支撑采用进口台面轴承，虽然精度有保证，但外购件成本很高，而且电机直接面对工作台和工件惯量，其惯量不易匹配，机电耦合系统易失稳，不同负载惯量需要电气多套参数匹配。

2】蜗轮副减速方案

该方案的优点是由于其减速比较大，负载惯量对电机影响较小，但传动效率低，一般只有60％，且易产生热变形，制造难度大，此外，因蜗杆圆周线速度不能超过5m/sec，小直径蜗杆驱动刚度不够，大直径蜗杆无法达到较高输出转速要求。另外，单蜗轮副结构不能消除传动背隙，而要消除传动背隙是就要采用复杂的双蜗轮结构，制造难度和成本都比较高。

3】渐开线齿轮减速方案

经过修形设计和精密磨削的硬齿面渐开线齿轮具有精度高，传动效率高，对中心距精度要求不敏感，能适应高、中、低不同转速要求等优点，被各种传动机构广泛应用。但缺点是单一传动元件由于制造误差等原因，也无法做到无背隙传动，而一般采用一个单齿轮和两个具有切向拉簧消隙齿轮啮合的方案，消隙转矩有限，不能承载大的转矩负载。

尤其是对于C轴旋转台而言，现有的C轴旋转台、由于电机和减速器部分均设置在C轴转台上，导致C轴转台体积过大，既增大了旋转台单向负载，又极度压缩了机床工作空间，限制了工作范围。

另外，在摇篮(C轴+A轴的旋转台)结构中，C轴电机和减速器均装在转台上，增加了A轴负载，使得A轴的有效功率降低。

发明内容

为了解决以上技术方案中的成本高、传动效率低、体积大、传动背隙等问题，本发明提出了一种基于行星齿轮减速器的旋转工作台。

本发明的具体技术解决方案如下：

该基于行星齿轮减速器的旋转工作台，包括C轴机构；

所述C轴机构包括C轴转台面、水平转台、C轴电机和L型转台基座；所述L型转台基座包括水平底座和垂直墙板，垂直墙板设置在水平底座一侧；所述水平转台固定设置于水平底座上；所述C轴电机固定设置于垂直墙板上，C轴电机输出端连接有第一锥齿轮；所述水平转台包括依次动力连接的第二锥齿轮、第一齿轮、第二齿轮、C轴行星齿轮减速器和转台面；所述C轴行星齿轮减速器包括太阳轮、行星轮、行星架以及行星轴；所述第一锥齿轮与第二锥齿轮垂直啮合，第一齿轮和第二齿轮水平啮合且进行减速，第二齿轮与 C轴行星齿轮减速器太阳轮同轴转动，C轴行星齿轮减速器行星架与C轴转台面固定连接，即设置在垂直墙板上的C轴电机将动力传递至水平转台上。

进一步地，该基于行星齿轮减速器的旋转工作台还包括A轴机构；

所述A轴机构包括垂直转台、A轴电机和A轴转台基座；所述垂直转台与C轴机构固定连接，用于向C轴机构提供摇篮动作；所述A轴转台基座内设置有A轴行星轮减速器，所述A轴行星轮减速器包括内齿壳以及沿内齿壳轴向依次设置的一个高速级行星齿轮减速机构、N个中速级行星齿轮减速机构和一个低速级行星齿轮减速机构，N≥0，高速级、中速级、低速级行星齿轮减速机构均包括太阳轮、行星轮、行星架以及行星轴；所述高速级行星齿轮减速机构的高速级太阳轮与A轴电机输出轴固定连接，A轴转台面与低速级行星架固定连接，A轴电机通过A轴行星轮减速器将动力传输至A轴转台面。

进一步地，所述A轴机构的低速级行星架上设置有用于测量输出转速的转速测量单元，转速测量单元用于将低速级行星架的实时位置回传至电机控制单元，电机控制单元根据实时位置调整电机的输出。

进一步地，所述转速测量单元包括与低速级行星架固定连接的磁栅盘，通过接触读取磁栅盘位置的读数头，用于将读数头读取的信息进行传输的电缆。

进一步地，所述行星轮减速器采用无反向间隙的行星齿轮机构。

进一步地，所述高速级行星齿轮减速机构的高速级太阳轮与A轴电机输出轴通过联轴套固定连接，高速级太阳轮与高速级行星轮啮合，高速级行星轮与高速级行星架通过高速级行星轴连接，高速级行星架固定套接于相邻的下一级中速级行星齿轮减速机构的中速级太阳轮上；中速级太阳轮为分段式结构，所述分段式结构包括驱动段和传递段，驱动段与上一级减速机构的行星架套接，传递段与相邻的下一级减速机构的行星轮啮合；重复所述结构直至与低速级行星齿轮减速机构的低速级太阳轮啮合。

进一步地，所述A轴电机与A轴转台基座连接，所述高速级行星齿轮减速机构的太阳轮通过销轴的过盈配合将其固定在联轴套上；所述低速级行星架与转台面之间设置有用于使低速级行星架与转台面共轴的轴套，轴套与低速级行星架过盈配合。

进一步地，所述中速级太阳轮的驱动段和传递段均为齿轮结构，驱动段的齿高小于传递段的齿高，驱动段齿轮与上一级减速机构的行星架啮合并通过键固定实现套接，上一级行星架的端面与当前级太阳轮上的传递段外齿端面接触，并同时与当前级行星轮端面形成微间隙。

进一步地，所述低速级行星架与内齿壳之间设置有N列滚珠及N列滚道，N为自然数，且N≥1；所述滚道截面包括至少一段与所述截面圆心不重合的圆弧；所述滚道由设置在内齿壳上的外圈内滚道和设置在行星架上的内圈外滚道组成。

进一步地，所述高速级行星齿轮减速机构、中速级行星齿轮减速机构或低速级行星齿轮减速机构行星架与行星轮之间均通过行星轴连接，行星轴与行星轮之间设置有接触式滚珠轴承。

本发明的优点在于：

1、本发明提供的于行星齿轮减速器的旋转工作台，当仅有C轴时，C轴转台电机没有装在C轴转台上，减小了转台体积，留出更灵活的机床工作空间；当增加了摇篮(C轴+A轴)结构时，由于C轴转台电机没有装在C轴转台上，从而减小了A轴负载，使得A轴的有效功率得到提高；同时，本发明还采用精密行星齿轮进行减速，比起直驱电机方案传动刚性高、负载惯量适应性强；比蜗轮副方案效率高，功率密度大。

2、本发明提供的旋转工作台优选方案中，采用了自制输出端多点接触滚珠轴承方式，该轴承形式不仅能够承担径向载荷，同时也能承担轴向载荷，相比现有减速器的结构，大大提升了减速器的对轴向和弯矩载荷的承载能力；同时该接触式滚珠轴承结构通过采用轴向孔，滚珠装填孔以及防脱出结构构成的装填结构，避免了采用上下拼接结构必然产生拼接缝隙的问题，提高了制造精度，这样有效保证的滚道刚度，降低了拼接式滚道缝隙使滚珠在滚道内的磨损。

3、本发明提供的旋转工作台优选方案中，减速器通过采用电机和行星减速器之间的连接结构(联轴套)对第一级行星齿轮减速机构的行星轮进行轴向定位、当前级行星架对行星轮轴承进行轴向定位、上一级行星架通过下一级太阳轮的传递段轴向定位，同时同一级行星轮和行星架直接接触实现相互轴向定位，与现有减速器结构相比，本发明的结构不仅缩短了行星齿轮减速器的整体轴向尺寸，同时也减少了零件特征与数量，降低制造成本。

4、本发明提供的旋转工作台优选方案中，在相邻两级行星齿轮减速机构中上一级行星架的端面与当前级行星轮端面形成微间隙，可在承担轴向定位功能的同时，给油脂留出空间，使得接触面之间建立油膜，提高润滑，降低磨损；同时也增加了制造容差，降低了制造难度。

5、本发明提供的旋转工作台优选方案中，提供了无反向间隙的行星齿轮机构的选择，使得旋转工作台能够达到消隙结果，从而可以使用全闭环控制反馈而不担心震荡问题。

附图说明

图1为本发明C轴机构主视图；

图2位本发明C轴机构左视图；

图3位本发明摇篮(A轴+C轴)结构主视图；

图4位本发明摇篮(A轴+C轴)结构俯视图；

附图明细如下：

41-水平转台，42-C轴电机，43-L型转台基座，44-C轴转台面，431-水平底座，432-垂直墙板，45-第一锥齿轮，46-第二锥齿轮，47-第一齿轮，48-第二齿轮，49-C轴行星齿轮减速器(491-太阳轮，492-行星轮，493-行星架，494-行星轴，495-内齿壳)，61-联轴套；62-连接轴；63-连接轴。

31-垂直转台，32-A轴电机，33-A轴转台基座，34-内齿壳，35-高速级行星齿轮减速机构、36-中速级行星齿轮减速机构，37-低速级行星齿轮减速机构。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接：同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了两大类旋转工作台，即：单纯的C轴旋转工作台，以及A轴+C轴旋转工作台所组成的摇篮结构旋转工作台，以下分别通过两个实施例来进行说明。

实施例1

如图1、图2所示，该基于行星齿轮减速器的旋转工作台，包括C轴机构；

所述C轴机构包括水平转台41、C轴电机42和L型转台基座43；所述L型转台基座 43包括水平底座431和垂直墙板432，垂直墙板432设置在水平底座431一侧；所述水平转台41固定设置于水平底座431上；C轴电机42固定设置于垂直墙板432上，C轴电机 42输出端连接有第一锥齿轮45；所述水平转台41包括依次动力连接的第二锥齿轮46、第一齿轮47、第二齿轮48、C轴行星齿轮减速器49和C轴转台面44；C轴行星齿轮减速器包括太阳轮491、行星轮492、行星架493、行星轴494以及内齿壳495；第一锥齿轮与第二锥齿轮46垂直啮合，第一齿轮47和第二齿轮48水平啮合且进行减速，第二齿轮48与 C轴行星齿轮减速器49太阳轮491同轴转动，C轴行星齿轮减速器49行星架493与C轴转台面固定连接，即设置在垂直墙板432上的C轴电机42将动力传递至水平转台41上。

考虑到具体工况，由于C轴电机42的输出轴需要进行动力传动的换向，因此，可以通过联轴套61及连接轴62配合延长输出长度，再通过连接轴62与第一锥齿轮45连接。

工作时，C轴电机42启动，C轴电机42输出轴旋转，带动联轴套61旋转，从而带动连接轴62旋转，连接轴62端部连接的第一锥齿轮45随连接轴62开始旋转，第一锥齿轮45将动力再传递至第二锥齿轮46上，完成动力传输的第一次90°换向；第二锥齿轮46 旋转后，带动其连接轴63旋转，连接轴63另一端的第一齿轮47随之同轴转动，进而带动水平方向上与其啮合的第二齿轮48旋转，第一齿轮47直径小于第二齿轮48直径，从而完成第一次减速，减速比可以通过调整两者直径比实现。

第二齿轮48由于和C轴行星齿轮减速器49同轴连接，因此，第二齿轮48将动力传递至C轴行星齿轮减速器49上，具体地讲：第二齿轮48与C轴行星齿轮减速器49太阳轮491同轴连接，带动太阳轮491转动，太阳轮491转动后带动与之啮合的行星轮492连接，行星轮492通过行星轴494再将动力传输至行星架493，行星架493与C轴转台面固定连接，从而带动C轴转台面转动，完成动力传输。

而C轴行星齿轮减速器49的太阳轮491、行星轮492、行星架493以及行星轴494设置于C轴行星齿轮减速器49底壳、内齿壳与C轴转台面形成的腔体内。C轴行星齿轮减速器49的内齿壳与行星架493之间形成多点接触式轴承结构，具体是指在内齿壳与行星架 493位置相对处分别设置至少一组滚道，滚道内嵌入相应的滚珠，内圈外滚道和外圈内滚道各由两段不同心的圆弧组成，也就是说无论任何方向受力，滚道内壁与滚珠接触点均为至少4个，从而实现多点支撑，提高了轴承可承受的力矩。同样地，该结构也可以应用于行星轮492和行星轴494之间，进一步提高稳定性。

实施例2

如图3、图4所示，该基于行星齿轮减速器的旋转工作台，包括A轴机构和C轴机构；

C轴机构与实施例1相同，本实施例是在C轴机构的基础上增加摇篮，即A轴机构。

A轴机构位于C轴电机42所在位置的对侧。

A轴机构包括垂直转台31、A轴电机32和A轴转台基座33；垂直转台31与C轴机构的水平转台41固定连接(且此例中C轴机构的水平转台41不再与水平底座431固定连接)，用于向C轴机构提供摇篮动作，当A轴电机32驱动垂直转台31执行摇篮动作时，L型转台基座43的水平底座431和垂直墙板432保持静止，从C轴电机42至水平转台41的传动链相对于L型转台基座43执行摇篮动作；A轴转台基座33内设置有A轴行星轮减速器， A轴行星轮减速器包括内齿壳34以及沿内齿壳34轴向依次设置的一个高速级行星齿轮减速机构35、一个中速级行星齿轮减速机构36和一个低速级行星齿轮减速机构37，高速级、中速级、低速级行星齿轮减速机构均包括太阳轮、行星轮、行星架以及行星轴；高速级行星齿轮减速机构的高速级太阳轮与A轴电机32输出轴固定连接，A轴转台面背侧与低速级行星架固定连接，A轴电机32通过A轴行星轮减速器将动力传输至A轴转台面，A轴另一侧转台面与C轴机构固定连接。

运动时，A轴机构控制C轴机构实现摇摆动作，即以A轴电机32的输出轴中心为圆点左右转动。具体运动过程为：A轴电机32的输出轴通过联轴套将动力传递至高速级行星齿轮减速机构35的太阳轮，高速级行星齿轮减速机构35的太阳轮旋转带动高速级行星齿轮减速机构35的行星轮转动，高速级行星齿轮减速机构35的行星轮通过行星轴带动行星架转动，高速级行星齿轮减速机构35的行星架与中速级行星齿轮减速机构36的太阳轮啮合，而中速级行星齿轮减速机构36可以根据减速比以及实际应用场合调整数量，N≥0即可，也就是说，极端情况下，可以仅设置高速级和低速级行星齿轮减速机构37；中速级太阳轮为分段式结构，分段式结构包括驱动段和传递段，驱动段与上一级减速机构的行星架套接，传递段与相邻的下一级减速机构的行星轮啮合；重复所述结构直至与低速级行星齿轮减速机构的低速级太阳轮啮合从来实现动力传递，低速级太阳轮同样通过其行星轮、行星轴最终将动力传输至行星架上，而低速级行星架直接与C轴机构固定连接，实现减速及控制输出。

另外，低速级行星架上设置有用于测量输出转速的转速测量单元，转速测量单元用于将低速级行星架的实时位置回传至电机控制单元，电机控制单元根据实时位置调整电机的输出。从优选角度考虑，转速测量单元包括与低速级行星架固定连接的磁栅盘，通过接触读取磁栅盘位置的读数头，用于将读数头读取的信息进行传输的电缆。具体可以通过读数头得到的数据通过电缆传递回CNC或驱动器进行全闭环控制。

以下再结合A轴机构与C轴机构的类似/相同部分进行进一步说明。

考虑到实际应用时，可以优选行星轮减速器的具体结构为无反向间隙的行星齿轮机构，这一机构在201810790333.7中已经公开，该结构通过消除齿轮啮合中的侧隙以及轴承游隙，可以减少或彻底消除行星齿轮传动装置的反向间隙，大大提高了行星减速机构的精密性，并且该结构并不增加任何其他零部件，这极大地减小了旋转工作台的重量及体积。

应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不脱离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种基于行星齿轮减速器的旋转工作台，包括C轴机构；

其特征在于：

所述C轴机构包括水平转台、C轴电机和L型转台基座；

所述L型转台基座包括水平底座和垂直墙板，垂直墙板设置在水平底座一侧；

所述水平转台固定设置于水平底座上；

所述C轴电机固定设置于垂直墙板上，C轴电机输出端连接有第一锥齿轮；

所述水平转台包括依次动力连接的第二锥齿轮、第一齿轮、第二齿轮、C轴行星齿轮减速器和C轴转台面；所述C轴行星齿轮减速器包括太阳轮、行星轮、行星架以及行星轴；

所述第一锥齿轮与第二锥齿轮垂直啮合，第一齿轮和第二齿轮水平啮合且进行减速，第二齿轮与C轴行星齿轮减速器太阳轮同轴转动，C轴行星齿轮减速器行星架与C轴转台面固定连接，即设置在垂直墙板上的C轴电机将动力传递至水平转台上。

2.根据权利要求1所述的基于行星齿轮减速器的旋转工作台，其特征在于：

还包括A轴机构；

所述A轴机构包括垂直转台、A轴电机和A轴转台基座；

所述垂直转台与C轴机构固定连接，用于向C轴机构提供摇篮动作；

所述A轴转台基座内设置有A轴行星轮减速器，所述A轴行星轮减速器包括内齿壳以及沿内齿壳轴向依次设置的一个高速级行星齿轮减速机构、N个中速级行星齿轮减速机构和一个低速级行星齿轮减速机构，N≥0，高速级、中速级、低速级行星齿轮减速机构均包括太阳轮、行星轮、行星架以及行星轴；所述高速级行星齿轮减速机构的高速级太阳轮与A轴电机输出轴固定连接，A轴转台面与低速级行星架固定连接，A轴电机通过A轴行星轮减速器将动力传输至A轴转台面。

3.根据权利要求2所述的基于行星齿轮减速器的旋转工作台，其特征在于：

所述低速级行星架上设置有用于测量输出转速的转速测量单元，转速测量单元用于将低速级行星架的实时位置回传至电机控制单元，电机控制单元根据实时位置调整电机的输出。

4.根据权利要求3所述的基于行星齿轮减速器的旋转工作台，其特征在于：

所述转速测量单元包括与低速级行星架固定连接的磁栅盘，通过接触读取磁栅盘位置的读数头，用于将读数头读取的信息进行传输的电缆。

5.根据权利要求4所述的基于行星齿轮减速器的旋转工作台，其特征在于：所述高速级行星齿轮减速机构的高速级太阳轮与A轴电机输出轴通过联轴套固定连接，高速级太阳轮与高速级行星轮啮合，高速级行星轮与高速级行星架通过高速级行星轴连接，高速级行星架固定套接于相邻的下一级中速级行星齿轮减速机构的中速级太阳轮上；

中速级太阳轮为分段式结构，所述分段式结构包括驱动段和传递段，驱动段与上一级减速机构的行星架套接，传递段与相邻的下一级减速机构的行星轮啮合；重复所述结构直至与低速级行星齿轮减速机构的低速级太阳轮啮合。

6.根据权利要求5所述的基于行星齿轮减速器的旋转工作台，其特征在于：所述A轴电机与A轴转台基座连接，所述高速级行星齿轮减速机构的太阳轮通过销轴的过盈配合将其固定在联轴套上；所述低速级行星架与转台面之间设置有用于使低速级行星架与转台面共轴的轴套，轴套与低速级行星架过盈配合。

7.根据权利要求6所述的基于行星齿轮减速器的旋转工作台，其特征在于：所述中速级太阳轮的驱动段和传递段均为齿轮结构，驱动段的齿高小于传递段的齿高，驱动段齿轮与上一级减速机构的行星架啮合并通过键固定实现套接，上一级行星架的端面与当前级太阳轮上的传递段外齿端面接触，并同时与当前级行星轮端面形成微间隙。

8.根据权利要求7所述的基于行星齿轮减速器的旋转工作台，其特征在于：所述低速级行星架与内齿壳之间设置有N列滚珠及N列滚道，N为自然数，且N≥1；所述滚道截面包括至少一段与所述截面圆心不重合的圆弧；所述滚道由设置在内齿壳上的外圈内滚道和设置在行星架上的内圈外滚道组成。

9.根据权利要求8所述的基于行星齿轮减速器的旋转工作台，其特征在于：所述高速级行星齿轮减速机构、中速级行星齿轮减速机构或低速级行星齿轮减速机构行星架与行星轮之间均通过行星轴连接，行星轴与行星轮之间设置有接触式滚珠轴承。

10.根据权利要求1至9任一所述的基于行星齿轮减速器的旋转工作台，其特征在于：所述行星轮减速器采用无反向间隙的行星齿轮机构。

Images