一种消除齿轮侧隙的装置、方法、控制系统及控制方法与流程

本发明属于无侧隙齿轮传动技术领域，具体涉及一种消除齿轮侧隙的装置、方法、控制系统及控制方法。

背景技术：

机电一体化设备，如伺服转台等经常使用到齿轮副传动。而上述设备由于工作过程中经常处于换向转动状态，如果传动链中齿轮传动副存在侧隙，反向转动时就会使齿轮运动滞后于指令系统。影响了传动链的系统精度，从而对设备的定位精度和稳定性造成很大影响。因此，必须采取必要措施消除齿轮传动副中的侧隙，以提高齿轮传动的精度和设备的定位精度。常用的消除直齿圆柱齿轮侧隙的方法有以下几种：

方法1：垫片调整法。

在加工相互啮合的两个齿轮时，将其分度圆齿厚沿轴线方向加工出锥度，使齿轮齿厚在轴向稍有变化。装配时只需利用轴向垫片使其中一个齿轮沿轴向移动，即可消除两齿轮间的齿轮侧隙。

方法2：双片薄齿轮错齿调整的方法。

齿轮副中一个齿轮制成宽齿轮，另一个由两片薄齿轮组成。装配时使一片齿轮的齿左侧及另一片齿轮的齿右侧分别紧贴在宽齿轮的齿左、右两侧，并用螺钉等使两片齿轮紧固。这样，正转时，其中一片齿轮与宽齿轮啮合，传递动力和运动。反转时，另一片齿轮与宽齿轮啮合来传动动力和运动，由此消除齿轮侧隙。

上述两种方法各有特点，但也存在比较明显的缺点。方法1的缺点是齿轮磨损后齿侧间隙不能自动补偿，而且加工时对齿轮齿厚和齿距公差要求较严，传动的灵活性会受到影响。方法2的缺点是调整装配过程较为复杂，传动刚度低，不宜传动大扭矩。

技术实现要素：

针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种消除齿轮侧隙的装置、方法、控制系统及控制方法。通过使用本发明所述的消除齿轮侧隙的装置、方法、控制系统及控制方法能够有效的消除齿轮传动副中存在的侧隙，提高齿轮传动的精度和设备的定位精度，同时，系统自动补偿齿轮磨损后的齿侧间隙，而且不会影响齿轮传动的灵活性，装配较为简便，可传递大扭矩。

本发明提出了一种消除齿轮侧隙的装置，其中，包括相互平行设置的第一电机轴、第二电机轴以及输出轴；

第一小齿轮，固定连接在所述第一电机轴；

第二小齿轮，固定连接在所述第二电机轴；

大齿轮，固定连接在所述输出轴上，

所述第一小齿轮和所述第二小齿轮分别和所述大齿轮啮合，且在齿轮转动过程中，所述第一小齿轮始终与所述大齿轮的一侧齿面相啮合，所述第二小齿轮始终与所述大齿轮的另一侧齿面相啮合。

如上所述的消除齿轮侧隙的装置，其中，所述第一小齿轮和所述第二小齿轮分别通过减速器固联在所述第一电机轴和所述第二电机轴。

如上所述的消除齿轮侧隙的装置，其在，所述两套减速器和电机的规格完全相同。

利用如上所述的消除齿轮侧隙的装置进行消除齿轮侧隙的方法，包括以下步骤：

所述大齿轮逆时针转动时，所述第一电机带动所述第一小齿轮顺时针转动为主动轮，从而带动所述大齿轮逆时针转动，同时所述第二小齿轮顺时针转动为从动轮；

当回转方向改变，所述大齿轮顺时针转动时，所述第二电机带动所述第二小齿轮逆时针转动为主动轮，从而带动所述大齿轮顺时针转动，同时所述第一小齿轮逆时针转动为从动轮。

如上所述的消除齿轮侧隙的方法，其中，所述从动轮力矩远小于所述主动轮力矩。

用于控制如上所述的消除齿轮侧隙的装置的控制系统，其中，包括：

双电机传动链，所述双电机传动链包括第一小齿轮、第二小齿轮和大齿轮，所述第一小齿轮和第二小齿轮分别固联在两个电机轴上，所述大齿轮固联在输出轴上，所述第一小齿轮和所述第二小齿轮分别和所述大齿轮啮合，且在齿轮转动过程中，所述第一小齿轮始终与所述大齿轮的一侧齿面相啮合，所述第二小齿轮始终与所述大齿轮的另一侧齿面相啮合；

位置控制单元，用于对所述传动链中的齿轮的转角位置进行控制；

速度控制单元，用于对所述齿轮传动链的传动速度进行控制；

电流控制器，用于控制电机的旋转方向和转速；

电机编码器，用于检测电机的当前的位置和转速值；

电流传感器，所述电流传感器用于检测电机的旋转方向、步进角度、转速等信号并反馈给速度控制单元。

如上所述的控制系统，其中，所述电流控制器包括电流控制单元、矢量变换单元以及电路驱动单元。

如上所述的控制系统，其中，进一步包括前馈控制单元，用于提前对系统参数进行调节；

如上所述的控制系统，其中，进一步包括回转轴磁电编码器，用于检测所述输出轴的旋转速度及转角位置。

利用如上所述的控制系统进行消除齿轮侧隙的控制方法，包括以下步骤：

大齿轮逆时针转动时，指令信号通过位置控制单元、速度控制单元传递给所述电流控制器，所述电流控制器发出感应信号驱动所述第一电机顺时针旋转，第一电机带动第一小齿轮顺时针旋转，从而带动所述大齿轮逆时针转动，同时带动所述第二小齿轮转动；

大齿轮顺时针旋转时，指令信号通过所述位置控制单元以及所述速度控制单元传递给所述电流控制器，通过所述电流控制器控制所述第二电机逆时针旋转，第二电机带动第二小齿轮逆时针旋转，从而带动所述大齿轮顺时针转动，同时带动所述第一小齿轮转动。

通过使用本发明所述的消除齿轮侧隙的装置、方法、控制系统及控制方法，采用双电机传动链带动齿轮传动，从动轮在换向时一直起阻力矩的作用，可以自动补偿齿轮磨损后的齿侧间隙。

通过使用本发明所述的消除齿轮侧隙的装置、方法、控制系统及控制方法，齿轮装配时不必调小中心距，因此不会影响齿轮传动的灵活性；直齿轮加工时不必将其分度圆齿厚沿轴线方向加工出锥度，因此其加工制造也较为容易。

此外，其装配较为简便，并可传递大扭矩。

附图说明

下面结合附图详细说明本发明。通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述或其他方面的内容将变得更清楚和更容易理解。附图中：

图1为本发明中消除齿轮侧隙的装置的结构示意图；

图2为本发明中控制系统的结构示意图。

附图中各标号表示如下：

10：前馈控制单元；

20：位置控制单元；

30：速度控制单元；

401：电流控制单元、402：矢量变换单元、403：驱动电路单元；

50：第一电机、50'：第二电机；

60：第一小齿轮、60'：第二小齿轮；

70：大齿轮；

80：第一电流传感器、80'：第二电流传感器；

90：第一电机编码器、90'：第二电机编码器；

100：回转轴磁电编码器。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

在此记载的具体实施方式/实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本发明的保护范围之内。

图1为本发明中消除齿轮侧隙的装置的结构示意图。如图1所示，该消除齿轮侧隙的装置包括第一小齿轮60、第二小齿轮60'和大齿轮70。所述第一小齿轮60和第二小齿轮60'分别固联在第一电机轴和第二电机轴上。所述大齿轮70固联在输出轴上。所述第一小齿轮60和第二小齿轮60'分别和所述大齿轮70啮合。在齿轮转动过程中，第一小齿轮60始终与大齿轮70的一侧齿面相啮合。第二小齿轮60'始终与大齿轮70的另一侧齿面相啮合。

进一步的，采用结构大小完全一致的第一小齿轮60和第二小齿轮60'分别和大齿轮70啮合。第一小齿轮60固联在第一电机轴上。第二小齿轮60'固联在第二电机轴上。大齿轮70固联在输出轴上。

在齿轮转动过程中，由第一小齿轮60和第二小齿轮60'分别担任主动轮和从动轮，分别带动大齿轮70进行转动。由于第一小齿轮60始终与大齿轮70的一侧齿面相啮合。第二小齿轮60'始终与大齿轮70的另一侧齿面相啮合，保证了在反转过程中，担任主动轮的小齿轮和输出轴上的大齿轮之间无侧隙存在。防止因齿轮间存在侧隙而造成传动过程中齿轮运动滞后于系统指令，提高了齿轮传动的精度和设备的定位精度。

进一步的，所述第一小齿轮60和第二小齿轮60'分别通过减速器固联在两个电机轴上。

由于电机轴转速过高，不能直接应用于齿轮传动系统中。因此，第一小齿轮60和第二小齿轮60'分别通过减速器固联在两个电机轴上。通过减速器的作用，降低电机轴的转速，进而将低转速的旋转运动传递给小齿轮。

进一步的，所述两套减速器和电机的规格完全相同。

采用规格型号完全一致的两套减速器和电机，有利于对齿轮传动进行精确控制。

利用如上所述的消除齿轮侧隙的装置进行消除齿轮侧隙的方法包括以下步骤：

大齿轮70逆时针转动时，第一电机50带动小齿轮60顺时针转动为主动轮，从而带动大齿轮70逆时针转动，同时带动第二小齿轮60'转动。

当回转方向改变，大齿轮70顺时针转动时，第二电机50'带动第二小齿轮60'逆时针转动为主动轮，从而带动大齿轮70顺时针转动，同时带动第一小齿轮60转动。

由于第一小齿轮60和第二小齿轮60'始终与大齿轮70的齿面相贴合，故可以消除齿轮换向过程中的齿轮侧隙。保证齿轮传动精度及装置定位精度。

进一步的，从动力矩远小于主动力矩。

在齿轮传动换向过程中，第一小齿轮60和第二小齿轮60'分别先后担任主动轮和从动轮。主动轮带动大齿轮70转动，从动轮提供阻力，使从动轮始终保持与大齿轮70贴合面的贴合，确保在换向过程中小齿轮和大齿轮间不存在侧隙。但阻力矩要远小于主动力矩，保证传动过程的正常进行。

图2为本发明中控制系统的结构示意图。如图2所示，本实施例中所示的控制系统包括双电机齿轮传动链。所述双电机齿轮传动链包括第一小齿轮60、第二小齿轮60'和大齿轮70。所述第一小齿轮60和第二小齿轮60'分别固联在两个电机轴上。所述大齿轮70固联在输出轴上。所述第一小齿轮60和所述第二小齿轮60'分别和所述大齿轮70啮合。且在齿轮转动过程中，所述第一小齿轮60始终与所述大齿轮70的一侧齿面相啮合，所述第二小齿轮60'始终与所述大齿轮70的另一侧齿面相啮合。

位置控制单元20，用于对所述大齿轮70的转角进行控制。

速度控制单元30，用于对所述传动链的传动速度进行控制。

所述双电机传动链中的第一电机50和第二电机50'共用一个位置控制单元20和速度控制单元30。

电流控制器，用于控制电机的旋转方向和转速。

进一步的，所述电流控制器包括电流控制单元401、矢量变换单元402以及电路驱动单元403。

第一电机50和第二电机50'分别拥有各自的电流控制器。通过电流控制单元401改变输入电流大小，进而改变主动轮力矩。通过矢量变换单元402调节电机的转向。

电机编码器，用于将检测到的电机信号反馈给速度控制单元30，进而对电机转速进行控制。

第一电机50和第二电机50'分别拥有各自的第一电机编码器80及第二电机编码器80'。

第一电机编码器80及第二电机编码器80'分别用于检测第一电机50和第二电机50'的运转信号，并将检测到的信号反馈给速度控制单元30。速度控制单元30根据系统输出需要，通过控制各电机的电流控制器对各电机的电流信号做出调整，以满足系统运转需求。

电流传感器，用于检测电机的旋转方向、步进角度、转速等信号并反馈给速度控制单元。

第一电机50和第二电机50'分别拥有各自的第一电流传感器90及第二电流传感器90'。

进一步的，所述控制系统还包括前馈控制单元10，用于提前对系统参数进行调节。

通过前馈控制单元10，提前对齿轮的转速及方向进行调节。确定大齿轮70的初始工作状态。

进一步的，所述控制系统还包括回转轴磁电编码器100，用于检测所述输出轴的旋转速度及转角位置。

通过回转轴磁电编码器100对输出轴的转速及转角位置进行检测，进而反馈给位置控制单元20和速度控制单元30。通过位置控制单元20和速度控制单元30对电流控制器进行控制，进而控制主动轮电机转速和转向，对大齿轮70进行控制。

本发明还提出了一种利用如上所述的控制系统进行齿轮侧隙消除的控制方法。该控制方法包括以下步骤：

大齿轮70逆时针转动时，所述前馈控制单元10发出信号，通过位置控制单元20、速度控制单元30传递给所述电流控制器。所述电流传感器发出感应信号驱动所述第一电机50顺时针旋转，第一电机50带动第一小齿轮60顺时针旋转，从而带动所述大齿轮70逆时针转动，同时带动所述第二小齿轮60'转动。

大齿轮70顺时针旋转时，指令信号通过所述位置控制单元20以及所述速度控制单元30递给所述第二电流控制器。通过所述第二电流控制器控制所述第二电机50'逆时针旋转，第二电机50'带动第二小齿轮60逆时针旋转，从而带动所述大齿轮70顺时针转动，同时带动所述第一小齿轮60转动。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。