蘇顯峰

(黑龍江省機械科學研究院，哈爾濱 150001)

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數(shù)控機床工作臺研究
——以直驅靜壓回轉工作臺為例

蘇顯峰

(黑龍江省機械科學研究院，哈爾濱 150001)

立足于數(shù)控機床直驅靜壓回轉工作臺的結構設計研究，通過靜壓導軌和直驅技術的結合，對關鍵技術環(huán)節(jié)進行分析，確定一種直驅靜壓回轉工作臺的整體設計方案。軸向采用靜壓導軌支撐，使工作臺具有較高的軸向剛度和回轉速度。直驅技術采用力矩電機，提高轉臺的精度，改善了動態(tài)響應特性。

數(shù)控機床；直驅靜壓；回轉工作臺

在數(shù)控機床直驅靜壓回轉工作臺的結構設計中，選取力矩電機作為驅動，靜壓導軌作為承載，向心球軸承為支撐，提出直驅靜壓回轉工作臺的設計方案。我國數(shù)控機床的功能部件研發(fā)技術滯后，制約著部件的產業(yè)化生產，也制約著高檔數(shù)控機床的研發(fā)和推廣。

1 直驅靜壓回轉工作臺的性能特征

數(shù)控回轉工作臺的主要功能是參與零件的分度加工，各種圓弧加工、與直線坐標進給聯(lián)動進行曲面加工等。國內外文獻資料表明，在數(shù)控多軸聯(lián)動回轉工作臺的實現(xiàn)方案中，主要有以下三種結構類型：滾動齒蝸輪蝸桿副回轉工作臺、電機直接驅動回轉工作臺、伺服電機驅動齒輪齒條副回轉工作臺。作為數(shù)控銑車的常用部件，數(shù)控回轉工作臺中應用的直驅技術與工作臺臺體一起，不同于伺服電機系統(tǒng)，也不同于滾動齒蝸輪蝸桿系統(tǒng)。

在滾動齒蝸輪蝸桿系統(tǒng)中，齒輪傳動、蝸桿傳動等機械傳動，隨著鍋桿傳動，嚙合輪齒間存在著摩擦、散熱、副效率低等問題。在這種模式下，齒輪的模數(shù)問題制約著技術發(fā)展，因此，并不適用于高速高精度回轉工作臺。

在伺服電機驅動系統(tǒng)中，以閉環(huán)的形式，由脈沖信號定位間接控制電機的轉動，將電壓信號轉化為轉矩和轉速，以驅動控制對象，克服了滾動齒蝸輪蝸桿驅動電機過程中的發(fā)熱與噪音問題。此外，伺服電機還具有精度高、高速性能好等特點。在實現(xiàn)低速大扭矩輸出時，其局限性在于減速機的背隙、振動，以及伺服電機本身的性能等。

電機直接驅動回轉工作臺的驅動是步進電機，作為伺服技術發(fā)展的產物，它的設計結構簡單，具有損耗小、噪音低、少維護等特點，能夠實現(xiàn)低速大扭矩、高精度定位，省去了減速機等機械結構，與伺服電機相比，該系統(tǒng)的精度進一步提高。

2 直驅靜壓回轉工作臺的關鍵技術

數(shù)控回轉工作臺作為機床的重要附件之一，使主機增加了一個回轉運動坐標軸，大大擴展了主機的加工范圍。直驅靜壓回轉工作臺將靜壓導軌和直驅技術相結合。回轉工作臺在工作性能上的兩個重要指標是：工作臺臺面尺寸和工作臺承載能力。靜壓導軌利用液壓力讓導軌和滑塊之間形成油膜，從而減小了滑塊和導軌之間的摩擦力。開式與閉式靜壓導軌相比，后者的精度和剛性較前者有所提高，因為在抗偏載能力方面具有突出的優(yōu)越性。

直驅技術的核心是采用力矩電機。以力矩機床為驅動方式的機床，克服了傳統(tǒng)大型機床工作臺振動、動態(tài)剛度差、轉臺伺服系統(tǒng)對動態(tài)干擾的抑制能力較差等問題。以相對較低的成本，通過提高工作臺的線速度，大大提高了工作效率，在精度上，力矩電機驅動可以輕松實現(xiàn)角秒級的靈敏度，不再通過機械傳送的方式來構成傳送鏈。力矩電機通過減少運行中的磨損，減少了工作臺的維護，從而極大提高了工作臺的使用年限。

以某方案為例，筆者做具體分析，將靜壓導軌技術與直驅技術相結合。軸向采用靜壓導軌支撐，使工作臺具有較高的軸向剛度和回轉速度。直驅技術采用力矩電機，提高了轉臺的精度，改善了動態(tài)響應特性，其他相關功能性結構略。

3 直驅靜壓回轉工作臺的設計方案

本文設計的用于大型機床的直驅靜壓回轉工作臺主要結構如圖1～3所示。轉臺的回轉中心定位通過NN3048軸承支撐電子轉子連接套，螺釘將定心軸承座與滑鞍的中心孔連接起來。與定心軸承座上方相連的軸承壓環(huán)、電機轉子連接套的外臺肩下側與力矩電機的轉子通過螺釘聯(lián)系起來。工作臺下方內環(huán)與電機轉子連接套通過螺釘相連，電機轉子連接套得到內靜壓導軌板的支撐，外靜壓導軌板支撐工作臺下方外環(huán)。內、外靜壓導軌支撐面的接觸可以精調。力矩電子的定子與電機定子連接套的內側肩相連。為了使力矩電機的定子與轉子保持同心一致，需要將電機定子連接套的外側肩固定在滑鞍上。編碼器軸的上端面與工作臺連接，定心軸承座支撐向心球軸承。編碼器需要通過對編碼器調節(jié)環(huán)的調整，連接法蘭盤的調整，使回轉中心與NN3048軸承的回轉中心重合。螺帽將動壓環(huán)固定在由內、外壓環(huán)所圍成的U型槽內。油缸被固定在滑鞍上，活塞將油缸與油缸蓋形成的密封油腔分隔為兩部分?；钊麠U帶動動壓環(huán)控制上下油腔的進出油，其他結構部件略。

圖1 滾動齒蝸輪鍋桿副回轉工作臺Fig.1 Rolling gear worm wheel helix spindle rotary table

1-工作臺；2-齒輪1；3-齒輪2；4-齒條；5-伺服電機。圖2 伺服電機驅動齒輪齒條副回轉工作臺Fig.2 Servo motor drive gear rack rotary table

1-工作臺；2-外靜壓導軌板；3-靜壓導軌進油口；4-滑鞍；5-冷卻介質進/出水口；6-51168軸承；7-電機定子連接套；8-力矩電機；9-軸承壓環(huán)；10-NN3048軸承；11-電機轉子連接套；12-定心軸承座；13-靜壓導軌油油箱；14-編碼器；15-編碼器調整環(huán)；16-向心球軸承；17-編碼器調整法蘭盤；18-內靜壓導軌板；19-內靜壓導軌支撐面；20-碟型彈簧組件；21-油缸；22-活塞；23-外壓環(huán)；24-動壓環(huán)；25-內壓環(huán)；26-外靜壓導軌支撐面；27-內靜壓導軌回油口；28-外靜壓導軌回油口。圖3 直驅靜壓回轉工作臺結構圖Fig.3 Direct drive static pressure rotary table structure chart

4 結語

目前，傳統(tǒng)的加工設備很難滿足現(xiàn)代裝配制造業(yè)對速度和精度方面的加工制造要求，而數(shù)控機床的出現(xiàn)是先進制造技術和制造信息集成化的產物，數(shù)控機床在制造裝備業(yè)中起到了非常重要的作用，是工作生產的母機，是實現(xiàn)現(xiàn)代化裝備的基石，是實現(xiàn)先進制造技術的基石，是保證我國高技術產業(yè)及國防軍工現(xiàn)代化發(fā)展的基石。隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，對數(shù)控機床的性能要求越來越高，數(shù)控機床整體性能的好壞，與其功能部件的性能具有直接相關性。機床的研發(fā)在一定程度上制約并引導著加工制造業(yè)的技術發(fā)展方向，當下，數(shù)控機床向多軸聯(lián)動的方向發(fā)展，因此，對數(shù)控回轉工作臺的精度要求也越來越高。由于涉及軍工、精密機械等相關行業(yè)的發(fā)展，因此，對數(shù)控機床回轉工作臺關鍵技術及部件的研究與開發(fā)，已成為各國競爭的重點。近年來，我國在五軸聯(lián)動數(shù)控機床研發(fā)方面，雖然取得了巨大的進展，但是相對于國外的整體水平而言，尚存在不小差距，未來需要更進一步的研究發(fā)展。

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Research on CNC machine tool—taking direct drive static pressure rotary table as an example

SU Xian-feng

(Heilongjiang Institute of Mechanical Science, Harbin 150001, China)

Based on the structural design of direct drive static pressure rotary table of CNC machine tool, the key technical scheme is analyzed by the combination of hydrostatic guideway and direct drive technology to determine the overall design scheme of a direct drive hydrostatic rotary table. The axial direction is supported with hydrostatic guideway, so that the table has features of high axial stiffness and rotation speed. Torque motors are used in direct drive technology to improve the accuracy of rotary table and enhance dynamic response features.

CNC machine tools; Direct drive static pressure; Rotary table

2016-11-26

蘇顯峰(1972-)，男，本科，工程師。

TG659

A

1674-8646(2017)04-0126-02