齿轮消隙与双电机消隙的应用
双电机驱动系统消隙技术分析
双电机驱动系统消隙技术分析摘要：双电机驱动系统是电力系统中重要的电机系统，双电机驱动的消隙技术是双电机驱动系统中的关键技术。
双电机驱动系统能否实现正常运行关键在于消隙技术本身的水平。
在人们对电机系统的要求越来越高的背景下加强对双电机驱动系统消隙技术的研究对于提升双电机驱动系统本身的性能具有重要意义。
本文将重点探讨双电机驱动系统的消隙技术。
关键词：双电机驱动；消隙；数控设备当前在电机系统中应用较为广泛的是单电机驱动系统，与此同时双电机驱动系统在数控设备，机器人以及雷达等系统中也得到了高效应用。
双电机驱动技术在这些领域中的应用能够有效提升系统机械的传动精度。
该技术在机械系统中的应用将成为未来时代发展的潮流。
双电机驱动系统在电机系统中的应用能够取得比单电机系统更好的效果，但是双电机驱动系统本身在的操作过程要比单电机驱动系统复杂的多。
双电机之间的转矩输出与电机位置控制还存在着一系列问题。
解决这些问题非常重要。
而要想解决这些问题很大程度上依赖于双电机驱动系统的消隙技术。
因而加强双电机驱动消隙技术的研究就显得非常重要。
1.双电机驱动系统的传动形式在探讨双电机驱动系统的消隙技术之前，了解双电机驱动系统的传统形式非常重要。
充分把握双电机驱动系统的传动形式有助于高水平的消隙。
在双电机驱动系统中，机械连接以及传动形式主要是丝杠，齿轮齿条，蜗轮蜗杆，齿轮等组成。
在双电机驱动系统中主要有以下四种形式：第一种形式是两个旋向相同的蜗杆分别布置在蜗轮附近，而两台电机分别驱动两侧蜗杆转动，最终实现蜗轮蜗杆正常运行。
这种方式一般情况下主要应用在驱动力较大的系统中，这种方式应用灵活，但是在使用过程中我们也需要注意到这种方式也有一定的缺点，反向运行阻力大就是其中一个典型缺点。
第二种形式是通过在某一机构两侧安装电机，在启动运行后两台电机能够同时运行，最终实现双机共同驱动该机构运动。
与其他驱动方式相比，这种驱动方式更能够减小运行过程中造成的变形问题。
双电机消隙
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Masterห้องสมุดไป่ตู้Slave
3. 原理与运行模式—计算
精加工（黄色区域） 这时主动齿轮箱的输出力由安全系数C乘上加速力。 F2M_ max = c x F2a F2M_ max根据移动部件重量 m 和切削力 FP决定 => m2M_max = c x m F2M_Pmax= c x FP
Vorlagen Nr.: 1097-D005821 Rev.: 02
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齿轮-齿条传动（龙门移动式）
3. 计算（计算）
较大的工作台面积 负载分配比（重量/切削力）70:30
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Master-Slave（齿轮-齿条传动主从消隙）
2.原理与运行模式—运行模式
黄色区域: 精加工（加速度较小） 灰色区域: 粗加工或快进（加速度较大）， 两个小齿轮朝一个方向工作。 两个小齿轮扭矩方向相反— 无间隙
Vorlagen Nr.: 1097-D005821 Rev.: 02
优缺点g无间隙消除了齿面之间的间隙g更高的刚性2x单个刚性g更好的动态性能两个驱动单元同时工作g更高的精度因为更好的刚性和零间隙g可选用更小的减速箱电机齿轮齿条h成本更高2套驱动单元h更大的体积2x电机2x齿轮箱h更长的调试时间teamrapidovorlagennr
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双电机驱动消隙技术及其在数控设备中的应用
-
PT1
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过滤器
张力扭矩
平衡系数
机械连接
位置设定值 + -
位置
+
控制器 nset=0
位置实际值
从动轴
速度 nact 控制器 iset
扭矩 iact 控制器
电机 M2
编码 器2
图 4 主从驱动控制原理图 Fig.4 Control principle chart of master-slave drive
1 传动间隙影响数控设备的原理分析
伺服系统中传动间隙的表现形式具有多样性，为 方便分析，将伺服传动系统中所有间隙等效为１个来考 虑。用 2Δ 来表示传动间隙的宽度，传动间隙的特性如 图 1（a）所示，其中 φa 和 φb 分别为电机输入轴转角和
* “十一五”国防基础科研项目。
84 航空制造技术· 2009 年第 17 期
采用主从驱动方式，即２个伺服电机共同承担负 载。采用扭矩补偿控制器实现伺服电机之间的扭矩平 衡分配，且扭矩补偿控制器根据伺服电机的具体性能分 配相应的负载扭矩。一般地，在同一坐标进给上应尽量 采用同型号、同性能的伺服电机，以简化系统的设置。 当主、从伺服电机性能不相同时，需要根据其扭矩平衡 系数调整扭矩匹配。
传动间隙限制了系统精度的提高，而在传动间隙不 可避免的情况下，如何采取措施尽可能地消除传动间隙 就非常必要。
除了在设计传动机构时尽量减小间隙外，大多采用 机械消隙的方法，即利用消隙齿轮和弹簧预紧等方法来
（-1，j0）
幅值 Im 频率 σ
-1/N（A） G（jω）
（a）系统稳定情况
（-1，j0）
幅值 Im 频率 σ
∑M
电机 1 转矩曲线
双电机电气消隙与单电机机械消隙对比
双电机电气消隙与单电机机械消隙对比导语：本文从原理、性价比、结构等方面说明双电机电气消隙与单电机机械消隙的区别。
一）机械消隙产品（法国REDEX产品）：单个电机输入两个齿轮输出形式，（REDEX产品为一个电机输入，两个减速机带齿轮输出，通过专利技术，在减速机中间加预负载，运用机械原理将减速机内部及齿轮齿条之间的背隙全部消除）如图示：二）双电机电气消隙产品（德国STOBER产品）：双电机输入两个齿轮输出形式（即，两个电机输入，两个减速机带齿轮输出，运用电气控制，致使一个电机驱动的时候，另一个电机进行制动，将齿轮齿条及减速箱内部背隙全部消除）如图示：德国STOBER双电机电气消隙与其他消隙产品的比较：STOBER电气消隙系统特点如下：结构区别：双电机电气消隙原理是将其中一个电机做制动处理，从而取得预加载力。
也就是说，一个电机驱动一个电机制动，从而消除减速机及齿轮齿条的背隙;性能优越：重复定位精度可以达到0.01（1道以内）;控制灵活：需要大力矩加速的时候，两个电机可以同时驱动;硬件要求：齿条和减速机的精度没有要求，可以通过电气补偿方式让消隙效果达到最好;成本控制：比同等的欧洲机械消隙产品成本低;发展前景：性能优越、精度高、成本低，在竞争日益激烈的市场中越来越受到各个厂家的青睐;同行业应用：目前中国生产大型机床，龙门镗铣、落地镗等需要做齿条传动消隙处理的机床基本上都使用的是STOBER双电气消隙产品，主要客户应用情况见部分客户列表REDEX机械式消隙系统特点如下：结构区别：单电机机械消隙实际是通过反向的扭动其中一个齿轮来获取预加载力，也就相当于将一个齿轮固定，在另一个齿轮上加了一个扭力弹簧;性能一般：只能满足一般应用（重复定位精度一般都在0.02以上）;模式固定：机械方式预设的单一工作模式，不能根据实际需求做调整;硬件要求：减速机和齿条的精度要求比较高，硬件产品的精度越高消隙效果越好，相应的增加了硬件的成本;发展现状：机械消隙产品设计巧妙，通过简单的结构消除了齿轮与齿条之间的背隙，随着社会发展，机床精度要求越来越高，机械消隙产品已经不能满足应用，越来越多的被高精度、低成本的电气消隙产品所取代。
齿轮消隙与双电机消隙的应用
１ 消隙结构 的分类
在齿轮齿条传动可 以依靠双齿轮反向预紧的方 式消除反向间隙， 如果两个齿轮与齿条 ， 齿圈的反向 预紧力 由机械装配和调整关系来实现 ，则称之为机
图１ 数控动柱式龙 门铣床
械消隙 ，机械消隙属于单电机输入两个齿轮输 出的 问题 的 分 析 与 处 理 形式 ； 如果 两个 齿 轮 与齿条 ／ 齿 圈 间 的反 向预 紧力 分 ３
同理 ， 在开始切削时也和开始加速时隋况一致。
避 篷
图 ４ 双 电机 驱 动 图 示
具体做法如下 ：本数控动柱式 龙门铣床采用西 门子 ８ ４ ０ Ｄ数控系统。给每个电机预设一个 ２ ０ ％额 定扭矩 的预加应力 ， 设定一个 电机为主驱动 电机 ， 左
改 了设计方案 ， 决定采用双 电机消隙的结构。
同步性。通过应 用双 电机 消隙技术解决 了这个问题。 关键词 ： 同步 性 ； 齿轮 消隙； 双 电机 消 隙 中图分类号 ： Ｔ Ｈ １ ３ ２ ． ４ １ 文献标识码 ： Ｂ 文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ Ｘ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ － ０ １ ４ ４ － ０ ２
Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． １ ， ２ ０ １ ３
齿轮消 隙与双 电机 消隙的应用
罗 华。 梁世伟
（ 桂林机床股份有限公司 ， 广西 桂林 ５ ４ １ ０ ０ １ ）
摘 要： 大型数控 龙 门铣床移动轴 的同步性是 一大难点 ， 在 用 自制 消隙齿轮 箱传动 时， 同步轴 的反 向 间隙较 大 ， 影响 了
齿条固定在床身上 ， 输 出齿轮模 们就进行 了联机调试 ，结果发现 ｘ ｌ 轴和 ｘ ２ 轴的反 传动箱与齿条啮合 ， 向间隙分别为 ０ ． １ ０ ａ ｉ ｍ和 Ｏ ． １ ２ ｍ ｍ， 情况非常不理想。 数８ ｍ ｍ ， 齿数 ２ ５ 齿。
双电机电气消隙
双电机电气消隙
未来数控机床的发展趋势主要是大型和重型，因而机床的行程越来越长，对精度的要求也就越来越高。
要消除齿轮齿条传动中产生的背隙，有两种方式，一是：机械消隙，二是双电机电气消隙。
机械消隙是单个电机输入两个齿轮输出的形式，目前有法国的REDEX.而双电机消隙属于双电机输入两个齿轮输出的形式。
双电机消隙目前有德国的STOBER以及台湾的SunUs等。
双电机消隙就是两个电机通过齿轮与赤道仪的主齿轮啮合，并按双电机消隙控制曲线进行驱动，永远不会出现两个电机输出转矩同时为零的情况，即任何时候两个电机至少有一个会对主齿轮施加不为零的转矩，在此转矩的作用下，主齿轮的运动间隙就不可能存在。
当然，此转矩必须大于转动链本身的摩擦力矩。
在实际消隙方式下，当系统需要的输出合力矩为零（静止）时，两通道电机的电枢电流为±Io（消隙偏置电流），其输出力矩大小相等方向相反；当系统需要的输出合力矩增加时，两通道电机的电枢电流随图二的曲线变化，其中一个通道的输出力矩将继续增加，另一个通道的输出力矩逐渐减小至零再增加，由阻力源变为动力源
双电机消隙的优势。
相对于机械消隙，双电机消隙具有性能上的优势，重复定位精度可达到0.01；控制灵活，需要加大扭力是，两个电机可
以同时驱动，而两个电机反方向驱动是可消除背隙；成本控制，由于是同时使用两个伺服电机，股伺服电机的型号可选用较小的，这样成本不会高于机械消隙；双电机消隙具有良好的发展前景，由于其性能优越，精度高，成本低，在竞争日益激烈的市场中越来越受到各大厂家的青睐。
双电机消隙
齿轮-齿条传动（龙门移动式）
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2. 普通齿轮-齿条传动特点
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?两侧的驱动单元获得相同的位置控制命令，能同步到达对应位置。
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?由于齿条自身的节距误差以及安装误差，齿条与齿轮间会产生间隙，并且
这种结构自身无法消除。
? 两驱动单元互相之间无法形成张力
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Master-Slave （齿轮-齿条传动主从消隙）
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2.原理与运行模式 —运行模式
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灰色区域 :
粗加工或快进（加速度较大）， 两个小齿轮朝一个方向工作。
黄色区域 : 精加工（加速度较小）
两个小齿轮扭矩方向相反 — 无间隙
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Master-Slave （齿轮-齿条传动主从消隙）
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1. 电消隙结构—张力消除间隙
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(1)两个齿轮箱之间存在张力，这样
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可以避免齿轮齿条之间的间隙，以及
双电机消除间隙
4）负载较轻时，两个齿轮对齿条的左右齿面施加足够大的反向驱动力，这样一来，无论朝哪个方向反向运行，都不会产生反向间隙。
5）负载足够大时，两个齿轮对齿条的同向齿面施加方向一致的驱动力，以提高负载驱动能力。
总之，由于双电机电气消隙性能优越、精度高、成本低，在竞争日益激烈的市场中仍具有良好的发展前景，并受到大型和重型机床厂家的青睐。
蜗轮蜗杆传动也同样可以采用由两台（伺服）电机分别驱动的两个蜗杆实现（双电机）电气消隙，两个蜗杆间的反向预紧力或驱动力也分别由驱动这两个蜗杆的伺服电机的力矩协调关系来保证，从而消除单一蜗杆传动难于避免的反向间隙。
众所周知，在（滚珠）丝杠传动中，可以采用双螺母反向预紧的方法以机械方式消除单螺母传动面临的反向间隙问题，以降低频繁反向过程中因反向间隙引入的传动误差和刚度损失。环面包络滚子蜗杆传动，也可以借助双滚子包络环面技术以机械方式实现反向预紧，消除传动间隙。
同理，在齿轮齿条传动、齿轮齿圈传动也可以依靠双齿轮反向预紧的方式消除反向间隙，如果两个齿轮与齿条/齿圈的反向预紧力由机械装配和调整关系来实现，则称之为机械消隙，机械消隙属于单电机输入两个齿轮输出的形式；如果两个齿轮与齿条/齿圈间的反向预紧力分别由驱动这两个齿轮的两台（伺服）电机间的力矩协调关系来保证，则称之为双电机电气消隙，双电机电气消隙属于双电机输入两个齿轮输出的形式。
以齿轮齿条传动的双电机电气消隙为例，假设两个齿轮的轴位置固定，安装于齿轮上方的齿条在齿轮的驱动下可带动工作台沿水平方向左右移动，则双电机电气消隙的工作原理是：
1）两个电机分别驱动各自的齿轮与齿条啮合。
2）静态下，一个齿轮与齿条的左齿面啮合并适度保持向右的驱动力，另一个齿轮与齿条的右齿面啮合并适度保持向左的驱动力。
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图 ４ 双电机驱动图示
具体做法如下：本数控动柱式龙门铣床采用西
门子 ８４０Ｄ 数控系统。给每个电机预设一个 ２０ ％额
定扭矩的预加应力，设定一个电机为主驱动电机，左
齿轮要求出力大；另一个为副驱动电机，右齿轮要求
出力小，如表 １ 所列。Leabharlann 表 １ 主、副电机驱动力矩示意
中图分类号：ＴＨ１３２．４１
文献标识码：Ｂ
文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２０１３）０１－０１４４－０２
众所周知，在（滚珠）丝杠传动中，可以采用双螺 母反向预紧的方法，以机械方式消除单螺母传动面 临的反向间隙问题，以降低频繁反向过程中因反向 间隙引入的传动误差和刚度损失。但由于丝杠传动 存在不可避免的长度限制，而且超长行程的重载滚 珠丝杆由于销量有限，售价也极高，因而大型机床， 尤其是重型机床的直线进给轴普遍采用高精度齿轮 齿条传动。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｖａｂｌｅ ｓｈａｆｔ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ＣＮＣ ｇａｎｔｒｙ－ｔｙｐｅ ｍｉｌｌｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｓ ａ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｐｒｏｂｌｅｍ， ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ｓｐａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｉｎｇ ｓｈａｆｔ ｉｓ ｌａｒｇｅｒ ｉｎ ｄｒｉｖｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｔｉ－ｂａｃｋｌａｓｈ ｇｅａｒ ｂｏｘ ｂｙ ｓｅｌｆ－ｍａｄｅ， ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ． Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｓ ｓｅｔｔｌｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｕｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ－ｍｏｔｏｒ ａｎｔｉ－ｂａｃｋｌａｓｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ；ｇｅａｒ ｂａｃｋｌａｓｈ；ｄｏｕｂｌｅ－ｍｏｔｏｒ ａｎｔｉ－ｂａｃｋｌａｓｈ
工程师，本科，学士，研究方向：数控龙门铣床。
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齿轮箱中间轴上安装有一对旋向相反的斜齿 轮，与两个输出轴上的大斜齿轮分别啮合。当调整中 间轴上的垫片厚度使蝶形弹簧压缩时，中间轴向下移 动，此时，两个大齿轮就转过了一定角度。这样就保证 了无论正反转始终有一对齿轮齿条啮合是零间隙。通 过查资料得该减速器的背隙为燮６ ＇，这样反映到直线 进给的间隙为 ６／ （６０×３６０）×（１／２．５）（传动箱变速比） ×（π×８×２５）（输出齿轮的周长） ＝ ０．０７ ｍｍ，加上加 工装配误差等影响，与实测比较吻合。从上式看出，可 通过修改齿轮箱设计来降低背隙，但实际重切削时反 向间隙的大小还在不断地发生变化，呈现不规则的现 象，我们分析是弹簧力在影响这一结果，在反复调整 检测后，仍未能很好的解决稳定性问题。对此我们修 改了设计方案，决定采用双电机消隙的结构。
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｇｅａｒ Ａｎｔｉ－Ｂａｃｋｌａｓｈ ａｎｄ ｔｈｅ Ｄｏｕｂｌｅ－Ｍｏｔｏｒ Ａｎｔｉ－Ｂａｃｋｌａｓｈ
ＬＵＯ Ｈｕａ，ＬＩＡＮＧ Ｓｈｉ－ｗｅｉ （Ｇｕｉｌｉｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇｕｉｌｉｎ Ｇｕａｎｇｘｉ ５４１００１，Ｃｈｉｎａ）
４ 修改设计方案
双电机消隙的工作原理，如图 ３ 所示。 （１）两电机分别驱动各自的齿轮齿条啮合。 （２）在静态下，左齿轮与齿条的右齿面啮合并适 度保持向右的驱动力矩，右齿轮与齿条的左齿面啮 合并适度保持向左的驱动力矩，两力矩相等，此时无 间隙。
《装备制造技术》２０１３ 年第 １ 期
大而右齿轮的力矩逐渐减小，此时由左齿轮无间隙 驱动机床开始移动。在负载足够大时，两个齿轮对齿 条的右向齿面施加方向一致的驱动力，以提高负载 驱动能力。即当右齿轮力矩减至 ０ 直至开始加大时， 力矩方向变反向，便与左齿轮一起驱动机床移动，达 到加速度最大（如图 ４ 所示）。在减速时则反之。
（４）在刚开始加速右移时，左齿轮的力矩逐渐增
当该机床装配完成后，两同步轴经过反复测量 反向间隙为 ０．０１５ ｍｍ，符合精度要求，并最终得到了 用户的好评。通过实际应用，双电机消隙控制的方式 对我们今后的设计工作起到一定的借鉴意义。这种 重复定位精度高、较欧洲机械消隙产品成本低，性能 优越的方案在竞争日益激烈的市场中越来越受到各 个厂家的青睐，具有广泛的前景。
２ 问题的提出原因
图 １ 数控动柱式龙门铣床
３ 问题的分析与处理
在设计时采用如图 ２ 所示结构。
电机 ＋ 减速器 联轴器
爽片消隙齿轮
中间轴
输出轴
楼梯
电柜 操作台 Ｘ２ 轴
底座
之前我公司为某客户开发设计的一台数控动柱 式龙门铣床如图 １ 所示。该铣床工作台固定、立柱横 梁等部件通过 Ｘ１ 轴和 Ｘ２ 轴带动在床身上运动。此 时就要求 Ｘ１ 轴和 Ｘ２ 轴的同步性，否则会造成横梁 的扭曲而影响机床精度。在完成同步轴的装配后，我 们就进行了联机调试，结果发现 Ｘ１ 轴和 Ｘ２ 轴的反 向间隙分别为 ０．１０ ｍｍ 和 ０．１２ ｍｍ，情况非常不理想。
动作 静止 开始加速或切削
最大加速或切削
左齿轮 ＋２Ｎｍ ＋４Ｎｍ ＋６Ｎｍ ＋８Ｎｍ
右齿轮 －２Ｎｍ ０Ｎｍ ＋２Ｎｍ ＋４Ｎｍ
预加力矩 ４Ｎｍ ４Ｎｍ ４Ｎｍ ４Ｎｍ
合力矩 ０Ｎｍ ４Ｎｍ ８Ｎｍ １２Ｎｍ
５ 结束语
图 ３ 双电机消隙图示
（３）在负载较轻时，两个齿轮对齿条的左右齿面 施加足够大的反向驱动力，这样一来，无论朝哪个方 向运行，都不会产生反向间隙。
１ 消隙结构的分类
油冷机 液压站
横梁 Ｘ１ 轴 工作台 立柱 排屑器 底座
滑枕 滑鞍
在齿轮齿条传动可以依靠双齿轮反向预紧的方 式消除反向间隙，如果两个齿轮与齿条 ／ 齿圈的反向 预紧力由机械装配和调整关系来实现，则称之为机 械消隙，机械消隙属于单电机输入两个齿轮输出的 形式；如果两个齿轮与齿条 ／ 齿圈间的反向预紧力分 别由驱动这两个齿轮的两台（伺服）电机间的力矩协 调关系来保证，则称之为双电机电气消隙，双电机电 气消隙属于双电机输入两个齿轮输出的形式。
图 ２ 齿轮箱展开图
当电机由减速器减速后，经联轴器进入 １：２．５ 的 传动箱与齿条啮合，齿条固定在床身上，输出齿轮模 数 ８ ｍｍ， 齿数 ２５ 齿。
收稿日期：２０１２－１０－０４ 作者简介：罗 华（１９７８—），男，广西南宁人，工程师，本科，学士，研究方向：数控龙门铣床；梁世伟（１９８０—），男，广西南宁人，
Equipment Manufacturing Technology No.1，2013
齿轮消隙与双电机消隙的应用
罗 华，梁世伟
（桂林机床股份有限公司，广西 桂林 ５４１００１）
摘 要：大型数控龙门铣床移动轴的同步性是一大难点，在用自制消隙齿轮箱传动时，同步轴的反向间隙较大，影响了 同步性。通过应用双电机消隙技术解决了这个问题。 关键词：同步性；齿轮消隙；双电机消隙