铣齿机主轴箱均载机构的设计与分析

第４期　２０１１年４月　机械设计与制造　

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　１３７　

文章编号：１００１—３９９７（２０１　１）０４—０１３７—０２　

铣齿机主轴箱均载机构的设计与分析　

马明黄筱调方成刚　

（南京工业大学机械与动力工程学院，南京２１０００９）　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ｓｈａｒｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｓｐｉｎｄｌｅ　ｂｏｘ　ｉｎ　ＮＣ　ｍｉｌｌｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　

ＭＡ　Ｍｉｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｄｉａｏ，ＦＡＮＧ　Ｃｈｅｎｇ－ｇａｎｇ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００９，Ｃｈｉｎａ）　

【摘要】铣齿机主轴箱采用双排齿轮系统传递扭矩，由于齿轮存在制造及装配误差，导致主轴箱　

两排齿轮受力不均。根据机床主轴箱功率分流传动的特性，设计了主轴箱均载机构。介绍了均载机构的　

结构及工作原理，采用电液比例控制方式设计了均载机构液压系统。通过对均载机构２－＿作时的负载力分　

析确定了均载机构控制策略，研究了系统的工作状况。　

关键词：铣齿机：均载机构；液压系统；设计　

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ　ＮＣ　ｍｉｌｌｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｓｐｉｎｄｌｅ　ｂｏｘ　ｔｒａｎｓｆｅｒｓ　ｔｏｒｑｕｅ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｄｏｕｂｌｅ　ｒｏｗ　ｇｅａｒ　ｓｙｓｔｅｒｒｕ　Ｔｈｅ　

ｓｔｒｅｓｓｅｓ　ｏｆ　ｇｅａｒｓ　ａｒｅ　ｕｎｅｖｅｎ　ｉｎ　ｓｐｉｎｄｌｅ　ｂｏｘ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｅｒｒｏｒ．Ａ　ｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　

ｐｏｗｅｒ　ｓｐｌｉｔ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＮＣ　ｍａｃｈｉｎｅ—ｔｏｏｌ　ｓｐｉｎｄｌｅ　ｂｏｘ，ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ｓｈａｒｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　

ｓｐｉｎｄｌｅ　ｂｏｘ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｌｏａｄ　ｓｈａｒｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　

ｔｈｅ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｚｏ　ｓｈａｒｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　

ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｅ　ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｏｆ　ｌｏａｄ　ｓｈａｒｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｍｉｌｌｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ；Ｌｏａｄ　ｓｈａｒｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ；Ｄｅｓｉｇｎ　

中图分类号：ＴＨ１３７文献标识码：Ａ　

１引言　

铣齿机床加工方式为干切削加工，刀具及传动部件承受切　削力很大，机床传动系统采用两排齿轮分流系统传递扭矩，这样　

的结构可以简化主轴箱传动环节，减小主轴箱的体积。机床主轴　系统是具有多级传动的复杂弹性系统，由于其传动路线较长组成　的环节较多，加之齿轮啮合时的时变刚度和加工误差随啮合位置　

不同的非线性影响以及轴承随载荷等不同的非线性支承刚度的　作用，使系统的动态特性呈现非线性变化趋势。因此机床主轴系　统在工作时会产生轮齿分离和冲击现象，从而造成主轴箱两排齿　轮系统传递扭矩不均衡，导致机床产生振动和噪声，影响工件加　

工精度。根据齿轮消隙原理，设计机床主轴箱液压均载机构。通过　均载机构作用来调节主轴箱一排齿轮的扭矩，从而实现主轴箱两　排齿轮传动受力的均载。　

２均载机构设计原理　

如图１所示，电动机输出力矩通过带传动传递到传动轴，传　动轴两侧安装有两个斜齿轮同时工作以实现主轴系统力矩的传　

递和功率的分流。均载机构由液压系统和齿轮系统组成，液压缸　活塞杆与圆板做成一体，圆板与左侧齿轮固联在一起，齿轮与轴　通过平键联接。传动轴工作时液压缸活塞杆跟随传动轴一起转　

动。当两侧齿轮受力不均时传动轴两侧齿轮会产生传动转角偏　

差，此时液压系统开始工作。液压缸推动斜齿轮在传动轴上作微　小移动，使斜齿轮产生附加转动以完成对齿轮扭矩的调整，实现　

两排齿轮系统传动的均载。　

图１均载机构结构简图　１．液压缸活塞杆２．圆板３．平键４．输入轴５．带传动６．左旋斜齿轮　

３齿轮受力分析　

铣齿加工对象为齿轮，铣刀盘为从上至下切削工件从而要求　

传动轴旋转方向，如图１所示。要求齿轮能在轴上移动，齿轮与传动　

－ｋ来稿日期：２０１０一ｏ６—０９　……】Ｈ　删，　】　…】　…】Ｈ……】Ｈ…，　……】　～０…】　～…】Ｈ…】　…】Ｈ　２庄水旺．利用机器人整合压铸件取出与分离系统研究开发［Ｊ】．台湾经济　６　Ｔａｋｕｙａ　Ｈａｓｈｉｒａ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｆａｃｅ　Ｒｏｂｏｔ　ＳＡＹＡ　ｆｏｒ　Ｒｉｃｈ　Ｆａｃｉａｌ　Ｅｘ一　部中小企业研究报告，２０００　ｐｒｅｓｓｉｏｎｓ．Ｐｒｏｃ．ＳＩＣＥ—ＩＣＡＳＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｉｎｔ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００６　３　Ｈ．Ｗｏｉｔｈｅ，Ｗ．Ａｃｈｗａｂ．Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔａｂｌｅ　Ａ１　ｄｉｅ　ｃａｓｔｉｎｇｓ，Ｄｉｅ　Ｃａｓｔｉｎｇ　７　Ｍｅｎｇ　Ｑｉｎｇｍｅｉ，ｗｕ　Ｗｅｉｇｕｏ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｌｉｐ　Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ　Ｍａｎａ｛　ｍｅｎｔ．１９９３（１０）：２９～３１　ｗｉｔｈ　Ｓｐｅｅｃｈ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｈｕｍａｎｏｉｄ　Ｈｅａｄ　Ｒｏｂｏｔ“Ｈ＆Ｆｒｏｂｏｔ—ｌｌＩ”ＪＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａ一　４潘宪曾．压铸模设计手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９８，８９　ｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＨｕｍａｎｏｉｄ　ｒｏｂｏｔ，２００８：７１８－７２３　５　ＣｙｎｔｈｉａＢｒｅａｚｅａ１．Ｅｍｏｔｉ０ｎ　ａｎｄ　ｓｏｃｉａｌ　ｈｕｍａｎｏｉｄ　ｒｏｂｏｔｓ［ｎ　ＨｕｍａｎＣｏｍｐｎｔ一８ＭｏｏｒｉｎｇＢ　Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｊｏｉｎｔａｘｉｓｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔｏｎｒｏｂｏｔｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｃｃｕｒａ—　ｅｒＳｔｕｄｉｅｓ，２００３，５９：ｌ１９～１５５　Ｉｎ：ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇＡＳＭＥＩｎＬＣｏｍｐｕＬＩｎＥｎｇ，ＣｏｎＣＥｘｈｉｂｉｔ，１９８３：１５１

－１５６　１３８　马明等：铣齿机主轴箱均载机构的设计与分析　第４期　

轴采用油脂润滑，摩擦系数取０．０８。为减小齿轮传动时产生的振荡，　

轴与齿轮以及平键与齿轮毂的配合方式为过度配合，要求过度配合　

量很小。如图２所示，齿轮受力分析，齿轮所受各力为：　

－－－２Ｔｔａｎ，ａ／ｄ，　＝２Ｔｔａｎｔｒ／ｄｃｏｓ／３　

式中：　—齿轮轴向力；　—齿轮径向力；卢一节圆螺旋角；　

轮分度圆直径；　—法向压力角。　忽略轴与齿轮配合的预紧力，得到齿轮轴向力与径向力的大　小关系为；Ｆ＝Ｏ．５７Ｔ／￣Ｆ．ｆ－－－Ｏ．Ｏ６Ｔ／ｄ。可见齿轮在工作时轴向力远大于　

径向力所产生的摩擦力，齿轮在径向力的作用下总有向移动的趋　

势。因此要求液压缸一直输出力以阻Ｉ　齿轮工作时向左侧移动。　

图２斜齿轮轮齿受力分析图　４均载机构液压系统的设计　

４．１液压控制系统设计　

液压系统是均载机构工作的动力来源，其动态性能影响均　

载机构工作的准确性和稳定性。液压控制系统设计时，即要考　虑到系统的控制精度又要考虑到系统的经济性，因此系统采用控　

制性能较高的电液比例控制，而不使用控制精度较低的液压开关　

控制或昂贵的液压伺服控制。　如图３所示，电液比例控制系统的关键元件是比例减压阀，　它是液压系统控制中的重要元件。由于比例减压阀可在工作状态　

中进行无级的压力调节，且可通过电气控制使每级压力的转换既　

快速又平稳，不但提高了控制水平，也提高了控制质量，特别适用　于在一个工作循环内需要多种工作压力的地方。　

推动力　

图３电液比例系统控制框图　扭矩传感器用于检测传动轴两侧齿轮扭矩值。由于两侧齿　轮的扭矩是非线性的变化过程，两侧齿轮所受扭矩不可能完全相　等，因此系统采用容差控制方式即两侧齿轮扭矩差与左侧齿轮扭　矩比大于５％时控制系统输出的指令电压再发生变化。电压信号　

经过比例放大器放大用于驱动减压阀阀芯运动，通过阀芯开口　量来控制输出压力值。　４．２液压系统回路分析　

液压回路是液压系统的基本构成单位，不管液压系统如何　复杂它总是由若干液压回路构成。系统采用定量泵和溢流阀组成　

供油源，单向阀阻止油液回流到液压泵，通过比例减压阀调节输　出压力。电磁换向阀采用Ｙ型结构用于控制油路的转向，通过换　

向阀换向用以解决分流齿轮传动时出现卡死的现象。液压缸推动　齿轮移动，工作流程中液压缸需要经过增压，减压，保压，停压四　个过程。液压系统工作回路简图，如图４所示。　

图４液压系统工作回路简图　１．液压泵２．油箱３．溢注阀４．单向阀５．压力表６．比例减压阀　７．电磁换向阀８．液压缸　４－２．１增压　

当右侧齿轮受力较大时，要求液压缸推进以使左侧齿轮增　加传动转角。控制器输出指令电压调节减压阀出口压力，换向阀　

３Ｄ端通电开始工作，油液经换向阀流入液压缸的右腔推动齿轮　

右移。当液压力不足以推动齿轮移动时，减压阀指令电压增大，控　

制阀芯开口量增加输出压力。　

４．２．２减压　

当左侧齿轮受力较大时，要求液压缸后退以使左侧齿轮产生　滞后转角。此时要求系统减小减压阀输＾电压使液压缸输出压力减　

小。当齿轮所受阻力小于齿轮轴向力时，齿轮开始向左侧移动。　

４．２．３保压　

当两侧齿轮受力相近时，减压阀输入的指令电压不变，此时　齿轮在液压力和轴向力作用下处于动态平衡状态。　

４．２．４停压　

换向阀阀芯当在复位弹簧作用下处于中位时，液压油回流　

油箱，液压缸不输出压力。此时左侧齿轮在外力的作用下可以在　传动轴上移动，方便主轴刀盘的安装和拆卸。　

５结束语　

均载机构结构简单，操作方便，液压动力系统安装机床外面，　

维护力便。通过对系统负载力的分析，确定了液压系统的工作方式。　采用电液比例控制方法经济实用，能够及时调整齿轮的转角以实现　

传动轴两侧齿轮传递扭矩的均载。呆用均载机构可以有效的减小机　

床主轴箱工作时的振动和噪声，具有广阔的应用前景。　参考文献　

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液压系统传动系统　匕京［Ｍ　Ｅ京：国防工业出版社，２００８