| 单词 | 蜗杆凸轮机构 |
| 释义 | 【蜗杆凸轮机构】 拼译：roller gear cam mechanism 主要用作分度机构，也可作连续传动。在很多机械，特别是自动装配线中，都需应用分度机构。其他类型分度机构由于结构上的限制，冲击振动较大，难以在高速下运行，同时也不能实现对从动件按运动规律要求的分度任务。蜗杆凸轮机构则可以克服这两个缺点，且具有更高的分度精度，因而被广泛用作高速、高精度分度机构。在连续传动方面，该机构以高精度，高刚度和高效率等特点正在机器人、数控机床等精密机械中获得应用。 蜗杆凸轮机构的基础形式，也称为Ⅰ型蜗杆凸轮机构，是由美国C．N．Neklutin发明，称之为Roller Gear Cam。由于他在50年代末成立了福开森公司进行生产和销售这种机构，故该机构又称为福开森机构。由于该机构可以变滑动接触为滚动接触，从而消除接触间隙，使从动件按任意运动规律运动等特点，而在高速、高精度分度中显示了优越性，但又由于是空间机构，给理论研究和制造都带来很大的困难。尽管如此，该机构一问世，就引起了有关方面的重视，从机构的结构、运动学特性、动力学特性及加工等方面相继做了大量的工作。1963年，美国J．P．Lombard考虑到该机构可以使从动件按任意的运动规律运动，因而将等速运动规律引入该机构，使之能实现连续传动，由此发明了蜗杆凸轮式减速器，现称为环面蜗杆滚子蜗轮减速器。但由于当时各方面因素的制约，该机构并未真正获得应用。1968年，美国J．P．Robert考虑到圆柱滚子的接触性能不好，特别是为了消除接触间隙而调小中心距以后会出现点接触，而引入圆锥滚子，发明一种蜗杆凸轮机构的派生机构。但这种圆锥滚子直到环面蜗杆滚子蜗轮减速器重新掘起，才获得真正的应用。1974年8月8日，美国的UMC Iudustries公司发明了Ⅱ型蜗杆凸轮机构。在Ⅰ型机构中，从动滚子的受力面有突变，会使滚子的自转速度突然变向，由此引起冲击振动。而Ⅱ型机构则使从动滚子在受力面发生突变的前后不参与啮合，从而消除了这种冲击。后来在实用中基本取代了Ⅰ型机构。1975年，德国的G．Gentzen根据直纹曲面的理论对蜗杆凸轮的曲率作了研究。虽然其结论没有满足实际设计要求，但对从理论上研究蜗杆凸轮机构起到促进作用。同样，1976年日本牧野洋首先在大型计算机上绘出了蜗杆凸轮的立体图，扩大了该机构的影响。1979年，日本西冈雅夫对蜗杆凸轮机构中产生冲击振动的各方面原因进行了研究并做了实验。他着重分析了残余振动对机构分度精度的影响，为以后在动力学方面的研究指出了方向。1982年，中国殷鸿梁等首先用共轭曲面原理研究了蜗杆凸轮的轮廓设计，包括凸轮的工作曲面方程，齿根曲面方程和过渡曲面方程。该项研究从理论上探讨了蜗杆凸轮的加工方法及工作曲面的修型，并为全面研究该机构打下了理论基础。1985年，中国赵韩等对蜗杆凸轮机构做了较为全面的研究。在几何特性与运动学特性方面，用共轭曲面原理找出了蜗杆凸轮的曲面方程、轴向和径向的齿廓曲线方程、压力角方程，诱导法曲率、相对速度、接触线方程和滚子向转速度等。在动力学方面，根据振动理论建立了两自由度振动模型，导出了输出端响应方程，并与理论计算结果进行对比分析。根据以上及以往的研究结果，他们建立了一套设计公式，并建立了以输出端响应最大值最小值为目标函数的优化设计数学模型，以此引入了优化设计方法进行设计。1986年，中国石则昌等对蜗杆凸轮机构的动力学特性作了全面的理论与实验研究，他们在建立该机构的动力学模型时，综合考虑了从动系统的弹性及机构中的间隙等因素，在求解系统动态响应的过程中，引入了碰撞速度的概念。他们根据大量计算得出该机构在减速段动态响应恶化的主要原因在于机构内部的接触间隙，并提出了减小间隙、消除干涉的方法。1986年，日本本桥元等对环面蜗杆滚子蜗轮减速器重新进行了研制。为了提高产品的质量和实用价值，他们着重考虑在大速比下如何通过预紧来消除接触间隙和用平面砂轮磨床加工这种环面蜗杆的可行性，在大速比的情况下，由于同时参加接触的滚子较多，给装配预紧带来了困难。他们提出3种实现预紧的结构并导出各种情况下的蜗杆曲面方程，为加工打下基础。在加工方面，以前精加工主要采用圆柱砂轮进行磨削。由于切削速度较低，故加工效率低、加工精度低及加工时砂轮补偿困难等。而使用平面砂轮磨床加工，提高了切削速度，但由于蜗杆曲面的不可展而增加了加工误差。为此，他们用三座标测量仪对已加工的蜗杆曲面进行实测，并与理论曲面对比，进行误差分析，结果证明用平面砂轮磨床加工该种环面蜗杆可行。目前，无论是作为分度机构还是作为连续传动机构，这种机构都已有标准化、系列化的产品，其产品的范围如下：作为分度机构，其中心距一般在70～270mm范围内，最小可达20mm，最大可达1000mm；分度数一般在2～24的范围内，最大可取48；分度速度一般在50～700r／min范围内，最高可达3000r／min。输出轴扭矩一般在60～16173N·M范围内，分度精度一般在±15～30弧秒范围内，最高可达±5秒。作为连续传动机构，其中心距一般为75～260mm，最小可达40mm，输出扭矩基本与分度机构相同，单级减速比一般在2～48之间，多级减速比可高达1000，回转精度一般为±30s，往返精度一般为±5s。尽管在蜗杆凸轮机构的各个方面研究都已取得了很多成果，且有比较好的产品出现，但对这种机构的研究并未停止，今后的研究将主要集中在：(1)研究新型的滚子及蜗杆曲面的修型，以改善接触条件，并使预紧更为方便。(2)进一步研究产生冲击振动的原因与机理，导出一种以考虑动力学性能为主的设计方法。(3)进一步研究用平面砂轮磨床加工这种蜗杆的加工原理及砂轮的修型，以提高加工效率，减小加工误差，降低成本。(4)研究进一步提高机构传动精度的因素。(5)进一步推广该机构的应用，以提高相关机械设备的生产率与产品质量。【参考文献】：1 Lombard J P．Spherical worm and pin gear indexing apparatus，United States Patent Office，1963，2(4)：34773052 Petroff R J．Inter mittent Drive Mechanism and Method of Making the Same，Patent Specification，1968，6(12)：12353623 Neklutin C N．New York：19694 UMC Industries INC．Indexing Cam for Roller Gear Drive，Patent Specification，1974，8(8)：14339955 Gentzen G．Berechnung yon Globoidkurvens-Chrittgetrieken，Maschinenbautechnik，19756 西冈雅夫．机械设计，1979，3(23)(武汉交通科技大学厉海祥教授撰；周劲南审) |
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