周玲莉，王禹林，馮虎田

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

0 引言

精密數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的核心部件。高精度數(shù)控回轉(zhuǎn)技術(shù)也是數(shù)控螺母磨床的核心關(guān)鍵技術(shù)，是數(shù)控機(jī)床的共性技術(shù)。精密數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)安裝在精密數(shù)控螺母磨床內(nèi)磨砂輪架上，組成數(shù)控回轉(zhuǎn)定位軸，用于內(nèi)圓磨具改變螺旋升角的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)［1］，所以提高數(shù)控回轉(zhuǎn)部件的精度及可靠性對(duì)整個(gè)螺母磨床的可靠性與精度保持性的提高具有重大意義。

目前精密數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)常用的傳動(dòng)方式包括齒輪傳動(dòng)、精密蝸輪蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)、力矩電動(dòng)機(jī)直驅(qū)傳動(dòng)等多種傳動(dòng)方式，齒輪、蝸桿蝸輪以及絲杠傳動(dòng)都是利用旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶、齒輪和蝸輪蝸桿等傳動(dòng)方式達(dá)到減速，或通過(guò)滾珠絲杠、齒輪齒條等傳動(dòng)方式將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。無(wú)論使用什么方法消除傳動(dòng)間隙、提高裝配精度，都無(wú)法避免各個(gè)傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差積累，以及由摩擦引起的功率損失。要徹底解決問(wèn)題，就必須去掉所有的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)”，即利用力矩電動(dòng)機(jī)直驅(qū)傳動(dòng)［2］。直驅(qū)技術(shù)具有精度高、速度快、無(wú)磨損、無(wú)間隙、受力狀態(tài)優(yōu)良，沒(méi)有點(diǎn)接觸和線接觸受力環(huán)節(jié)等優(yōu)勢(shì)，采用直驅(qū)技術(shù)設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)功能部件，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵功能部件，目前已經(jīng)成為國(guó)際機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

在直驅(qū)技術(shù)日益成熟的條件下，國(guó)際主流機(jī)床廠商迅速推出采用直驅(qū)技術(shù)的機(jī)床產(chǎn)品，而且其應(yīng)用水平的提升呈加速趨勢(shì)［3］。目前，處于世界機(jī)床產(chǎn)銷(xiāo)量前幾位的DMG、MAZAK、森精機(jī)等公司均開(kāi)始大量改用直驅(qū)功能部件［4］。我國(guó)直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展與國(guó)際水平有很大差距。國(guó)際上20世紀(jì)90年代初開(kāi)始應(yīng)用，現(xiàn)在進(jìn)入普及階段。國(guó)內(nèi)20世紀(jì)90年代中期才開(kāi)始研究，而成功的應(yīng)用還比較少。自2005年起國(guó)內(nèi)就開(kāi)展了以力矩電動(dòng)機(jī)為核心驅(qū)動(dòng)元件的轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，煙臺(tái)環(huán)球機(jī)床附件集團(tuán)公司的TK62800/1000數(shù)控直驅(qū)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)中的首臺(tái)d1 000直徑的直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)于2011年試制成功［5］，但目前大多尚停留在產(chǎn)品樣機(jī)階段。而且現(xiàn)在國(guó)內(nèi)小型直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)的研究還較少，多數(shù)為d500及以上的中大型轉(zhuǎn)臺(tái)。

本文結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外直驅(qū)技術(shù)的研究成果，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了小型高精度直驅(qū)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)系統(tǒng)，能夠進(jìn)行高精度回轉(zhuǎn)進(jìn)給加工及分度定位加工。該回轉(zhuǎn)工作臺(tái)系統(tǒng)采用高精度力矩電動(dòng)機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，取消了中間的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，有效的提高了測(cè)量精度，由于體積較小，適用于螺母磨床內(nèi)螺紋的加工，對(duì)改進(jìn)螺母磨床加工品質(zhì)增大加工范圍以及實(shí)現(xiàn)精確的自動(dòng)分度具有一定的參考價(jià)值。

1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)技術(shù)規(guī)格及精度指標(biāo)

最終設(shè)計(jì)完成的試驗(yàn)臺(tái)要求滿足表1的技術(shù)規(guī)格要求。

表1 精密數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)技術(shù)規(guī)格

1.2 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)機(jī)械部分整體設(shè)計(jì)［6］

回轉(zhuǎn)工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括工作臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)面、轉(zhuǎn)臺(tái)軸承、電動(dòng)機(jī)、夾緊裝置、底座四大部分［7］。工作臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)外觀

圖2 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1）工作臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)面

工作臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)面位于力矩電動(dòng)機(jī)正上方，由工作臺(tái)臺(tái)面和定位孔蓋組成，臺(tái)面通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)軸承支撐，并通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)軸承保證其徑向定位精度，臺(tái)面下端與力矩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子固聯(lián)，連接部分設(shè)計(jì)為臺(tái)階面以保證電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的徑向定位精度，轉(zhuǎn)臺(tái)面通過(guò)力矩電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)。中心定位孔蓋與臺(tái)面固連，經(jīng)過(guò)精加工保證加工工件的中心定位。

2）轉(zhuǎn)臺(tái)軸承

根據(jù)要求，選擇德國(guó)INA軸承公司的產(chǎn)品YRTM260系列帶集成電子測(cè)量系統(tǒng)的推力/向心軸承，其中軸承的旋轉(zhuǎn)部分與工作臺(tái)臺(tái)面固聯(lián)，固定部分與工作臺(tái)的底座固聯(lián)，通過(guò)軸承來(lái)保證轉(zhuǎn)臺(tái)面的徑向定位精度。

3）電動(dòng)機(jī)

力矩電動(dòng)機(jī)位于工作臺(tái)中部的下方，選用外轉(zhuǎn)子力矩電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)部分分為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、電動(dòng)機(jī)定子、電動(dòng)機(jī)冷卻套三部分，其中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)臺(tái)面固聯(lián)，其徑向定位精度由轉(zhuǎn)臺(tái)面上的臺(tái)階面確定。電動(dòng)機(jī)定子與底板固聯(lián)，電動(dòng)機(jī)冷卻套緊套在定子內(nèi)側(cè)。冷卻套內(nèi)側(cè)通過(guò)底板的臺(tái)階面保證徑向定位精度，從而保證電動(dòng)機(jī)定子的定位精度，冷卻套相隔180°方向的上下部各有一個(gè)孔作為冷卻液出入孔，冷卻套設(shè)計(jì)為水平溝槽式，相鄰溝槽相隔180°方向留有一個(gè)缺口，使得冷卻液可以從上方孔流入，從下方孔流出，進(jìn)行循環(huán)散熱。

4）鎖緊夾緊裝置

鎖緊裝置選用液壓鎖緊，鎖緊部分上端與基座固定，通過(guò)基座保證其同軸度，鎖緊裝置位于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外圈，與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸并留有細(xì)小間隙，松開(kāi)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)需要鎖緊時(shí)，鎖緊部發(fā)生彈性形變卡住電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，達(dá)到鎖緊的目的。

5）底座

底座由基座與底板兩部分組成，基座上部開(kāi)有階梯孔，使軸承自帶的角度測(cè)量頭可以伸入內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)通過(guò)基座的加工保證角度測(cè)量頭的定位安裝精度，基座與軸承固定部分接觸面進(jìn)行精加工保證軸承的定位精度，基座下方開(kāi)液壓油孔，向鎖緊部提供液壓油，底部與底板固聯(lián)，通過(guò)定位銷(xiāo)保證底板同軸度與徑向定位精度，底板底部開(kāi)有方形孔，方便電動(dòng)機(jī)定子電纜輸出，中間留有中心孔方便冷卻液輸入冷卻套，中部設(shè)計(jì)為臺(tái)階面，保證冷卻套的徑向定位精度。整個(gè)工作臺(tái)以底座為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，所以底座加工精度要求高，熱變形小，從而達(dá)到提高轉(zhuǎn)臺(tái)加工精度的目的。

轉(zhuǎn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)采用中空無(wú)主軸設(shè)計(jì)，選用帶集成電子測(cè)量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)軸承進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與反饋，取代了以往常用的轉(zhuǎn)臺(tái)面帶動(dòng)主軸，主軸連接編碼器的方式，使得整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，滿足了外形尺寸的要求。

2 力矩電動(dòng)機(jī)選型

2.1 計(jì)算所需的轉(zhuǎn)矩

1）摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩

經(jīng)過(guò)分析可得當(dāng)工作臺(tái)正常作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要的摩擦力均由工作臺(tái)回轉(zhuǎn)支承產(chǎn)生，此軸承的摩擦系數(shù)為0.001。

圖4 軸承結(jié)構(gòu)圖

由于整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)的高度只有225 mm，則轉(zhuǎn)臺(tái)總重力為:

則由摩擦力產(chǎn)生的力矩為

2）加速度產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩

轉(zhuǎn)臺(tái)的總慣量為:

將工件等效為直徑400 mm的圓柱體，則工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:

按照電動(dòng)機(jī)從0加速到20 r/min需要花0.15 s來(lái)進(jìn)行估計(jì)計(jì)算，則由加速度產(chǎn)生的力矩為:

3）驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)所需的總力矩為:

2.2 計(jì)算電動(dòng)機(jī)的功率

取η=1.3，假設(shè)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為200 r/min，則根據(jù)上面的轉(zhuǎn)矩計(jì)算得出電動(dòng)機(jī)所需的功率為:

2.3 確定電動(dòng)機(jī)的型號(hào)

經(jīng)過(guò)與各電動(dòng)機(jī)廠商的咨詢討論，最終決定選用德國(guó)舍弗勒公司的RE11－3P－250－25型外轉(zhuǎn)子力矩電動(dòng)機(jī)。該型號(hào)電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表2所示。

表2 力矩電動(dòng)機(jī)參數(shù)

峰值轉(zhuǎn)速/（r/min）476持續(xù)轉(zhuǎn)速/（r/min） 299轉(zhuǎn)子外徑/mm 279定子內(nèi)徑/mm 165電機(jī)高度/mm 78

3 液壓鎖緊裝置設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)工作臺(tái)要求在進(jìn)行點(diǎn)位加工時(shí)必須處于鎖緊狀態(tài)，靜止及聯(lián)動(dòng)加工時(shí)處于松開(kāi)狀態(tài)。由于轉(zhuǎn)臺(tái)整體體積較小，則要求內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)鎖緊裝置還要求有較大的鎖緊力矩和較快的鎖緊動(dòng)作靈敏度，傳統(tǒng)的鎖緊方式如鼓剎、抱剎、端面剎等存在鎖緊力矩不足，鎖緊動(dòng)作不夠靈敏及鎖緊可靠性差等缺陷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述要求，所以此次參考專(zhuān)利《機(jī)床旋轉(zhuǎn)C軸液壓剎車(chē)裝置》［8］設(shè)計(jì)一種脹緊套如圖5中A部分所示。

圖5 鎖緊裝置

整個(gè)鎖緊裝置由（圖6）基座和脹緊套共同組成，脹緊套呈圓形套筒狀，采用彈簧鋼制造，由固定部和工作部?jī)刹糠纸M成，固定部外徑大于工作部的外徑，使整個(gè)脹緊套外壁呈臺(tái)階狀，固定部與工作部連接處形成臺(tái)階端面，固定面通過(guò)臺(tái)階孔用緊固螺釘與基座相連，使脹緊套與基座軸向和圓周方向固定。凹槽設(shè)置在工作部外壁上，凹槽的底部形成彈性剎車(chē)部，基座與凹槽形成密閉油腔。工作部外壁上設(shè)有密封槽，密封槽內(nèi)設(shè)置有O型密封圈，用于對(duì)密封油腔起加強(qiáng)密封作用。

圖6 鎖緊裝置結(jié)構(gòu)圖

脹緊套內(nèi)徑大于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外徑，脹緊套與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。工作時(shí)，液壓油泵將液壓油通過(guò)基座上的輸油孔壓入密封油腔，增大密封油腔內(nèi)的液壓，壓迫脹緊套工作部的彈性剎車(chē)部變形內(nèi)突，使脹緊套與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子形成過(guò)盈配合，從而卡主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，使電動(dòng)機(jī)無(wú)法再轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的剎車(chē)與夾緊作用。當(dāng)密封油腔內(nèi)的液壓油減少，壓力取消后，脹緊套工作部的彈性鎖緊部恢復(fù)原形，與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子又可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)又可以正常工作。

密閉油腔內(nèi)的液壓越大，脹緊套的彈性剎車(chē)部的變形越大，對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的卡緊力也就越大，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的剎車(chē)力矩也就越大。所以只要合理的增加密閉油腔內(nèi)的液壓，就可以實(shí)現(xiàn)大扭矩剎車(chē)的功能。

4 結(jié)語(yǔ)

介紹的高精度直驅(qū)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，既可以作任意角度的回轉(zhuǎn)和分度，也可以作連續(xù)回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，能夠滿足盡可能多的加工形態(tài)要求，采取中空無(wú)主軸結(jié)構(gòu)，通過(guò)選用帶集成電子測(cè)量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)軸承進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與反饋，取代了以往常用的轉(zhuǎn)臺(tái)面帶動(dòng)主軸，主軸連接編碼器的方式，減少了零部件的數(shù)量，使得結(jié)構(gòu)更加精簡(jiǎn)，同時(shí)減少了累計(jì)誤差的存在，有效提高了精度，是一種全新的回轉(zhuǎn)加工設(shè)備。該轉(zhuǎn)臺(tái)可以提高工件的加工精度，保證工件的品質(zhì)和性能，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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