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研讨会六 同步齿形带传动的精度

  同步带具有定比传动,高速,低噪,无需润滑以及轻质,可实现大中心距等优点,在各种精密仪器中广泛使用。

  1. 问题描述

  刚做了一个设备,同步带传动。带是梯形齿,步进电机直接传动。当电机正向旋转几周后,再以同样的周数返回,往复距离为500mm,传动会有0.2左右的误差,运行过程中步进电机没有丢转现象。想要把精度控制在+0.025,不知是否可行?机构示意如图1,开环传动。

  

图1 同步带往复机构

  

  2. 讨论

  甲说,一般来说,开环的精度对传动部件和装配工艺的依赖比较高,选用质量上乘的同步带、提高同步轮的精度和适当地张紧同步带可以显著提高传动精度,或者使用多级减速装置,由于减速比的存在,精度会有所上升;但由于图1可以看出,此结构为典型的同步带传动的直线往复单元,所以利用减速比的办法行不通。

  乙提出,同步轮和同步带组成单级传动时,仅从装置本身而言,一般的看法是没有很高的精度,且重复性很差。原因如下:

同步带存在弹性变形。同步带轮的精度不像齿轮、齿条一样,有众多的检测项目来控制其加工精度,一般带轮的节距偏差如表1,故无反馈的带轮传动其重复性可想而之;当正转数圈再反转数圈,由于侧隙的存在,其重复误差有0.2是完全可能的。

  

表1 周节制带轮尺寸偏差(节选)

  上述可以很好的说明同步带在开环传动时的精度情况,为了增加传动的平稳性,乙指出,应该加张紧结构并调配好张紧力,其目的是使同步带在此作用下保持一定的预拉伸量,当达到一定的值时,带的节距会保持一定的刚性,避免在高速启停的时候出现较大的伸缩量,增加节距的精度。

  丙说,其实同步带传动的精度主要还是受限于其加工精度及其本身的弹性;当然如果是负载过高造成步进电机丢转、主从动轮安装偏差太大、带的接头不好等等因素也会造成精度降低,但讨论基本都是在一个相对理想的外部环境的前提下进行的,主要还是从同步带传动本身来进行一些探讨。

  甲希望从结构入手,说,精密机床用同步带在直线轴是做一级传动,可以充分发挥电机的性能,安装精度上也比直联要求低,空间也可合理布置,同时具有一定的保护作用。二级传动还是丝杠,精度会好很多,价格也不会增加多少。

  对此提问者表示可以作为最后的办法,但还是希望能够在现有结构上找到降低误差的措施。

  丁建议,应该将梯形齿换成如图2的圆弧齿;梯形齿在传动时,带轮相邻的两齿啮合同步带的时候,由于张力作用,及同步带齿的齿顶不与带轮的齿槽接触,使得同步带在带轮齿槽处的空间被拉成直线,如图3可以明白看出;因此实际上,带轮和同步带之间的啮合关系是由弧运动 ** 运动交迭完成的,这叫做多边形效应。

  

图2 圆弧齿同步带图3 多边形效应

  多边形效应是同步带直线运动误差的主要原因,圆弧齿的带轮齿槽底为圆弧状,在啮合中顶住同步带齿的齿顶,使带齿弯曲,大大缓解多边形效应,可有效提高精度。

  对以上建议甲很赞同,但始终觉得主要精度还是应该在消除侧隙上想办法,并提供一个如图4的方案;

  

图4 消除侧隙方案

  甲解释说,这是利用双齿错位消除加工误差的办法:将主动轮分割成两个轮并共同装在传动轴上,其中一轮固定不动,别一轮可绕传动轴转动,安装时调节到需要的位置并用紧定螺钉固定。

  最后提问者将齿形更换之后,降低了冲击和噪声,购买质量上乘的同步带,配合图4的方案,消除了主动齿的齿侧间隙,重复性精度不好的问题得到解决。

  3. 结论

  通常情况下,开环传动时同步齿形带的传动精度并不占优势,但根据上述的讨论,可以采取一些消除齿侧间隙的办法,但基本前提是同步带质量好,并且正确地进行了安装和张紧。现在国内也有一些厂商生产无侧隙同步带和带轮,可以达到一定的精度。

  同步齿形带在数控机床上有广泛的使用,但都是使用闭环传动,用光栅尺进行终端检测。从理论上讲,光栅精度和控制精度能达到多少,传动精度就有多少,设备可以做到很高的精度,但是一般是像上述丙所述的使用方式。

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