兩軸數控回轉工作臺的實用性研究

許光馳，鞠加彬，宋奇慧

(黑龍江農業工程職業學院，哈爾濱150088)

兩軸數控回轉工作臺的實用性研究

許光馳，鞠加彬，宋奇慧

(黑龍江農業工程職業學院，哈爾濱150088)

近年來隨著國內機床行業不斷發展，數控轉臺產品已經成為數控機床核心功能部件。國外對數控回轉工作臺的研究較多，但也存在適應性差、功能較少和成本過高等問題，所以研制一種具有模塊式的多功能新型數控回轉工作臺具有一定的市場前景。

數控回轉工作臺；數控機床；復雜表面加工

0 引言

數控轉臺是一種重要的機床附件，它的應用為機床提供了回轉坐標，通過第四軸、第五軸驅動轉臺完成等分以及不等分或連續的回轉加工，使客戶加工復雜曲面變成可能，擴大了機床的加工范圍。國內數控轉臺的中高端產品主要來自于臺灣及國外，國內數控轉臺近年發展也很迅速并占領大部分市場。其中二軸數控轉臺作為五軸聯動數控機床的關鍵功能部件之一，主要用于與機床設備配套完成機床各種功能，對保證機床基本功能的充分使用、擴大機床的工藝性能和使用范圍、保證加工精度、提高生產效率、減輕勞動強度等方面都起著重要作用，因此數控轉臺的發展水平便成為整個機床工業技術水平的標志之一。

1 國內數控轉臺研制的現存問題

1.1 研制和生產成本高

由于國內對數控轉臺的研究和投入資金相對較少，較難實現系統研究和規模化生產要求,高精度的機械件、伺服電機和測量元件很多依靠進口，使得設備生產成本高，利潤較低，維持后期的研發和生產過程也很困難。

1.2 機械零部件的加工精度低

受到高精度加工技術、裝備和產品批量的影響，少量生產的轉臺機械結構精度不能滿足更高的應有回轉精度、小間隙和剛度要求，所以往往只能通過購買標準部件來實現設計要求。

1.3 控制方式可靠性和靈活性差

作為相對獨立的二軸回轉工作臺，既有使用的獨立性，還應具備能與現有三軸數控銑床等接口的配合功能，目前國內外對于此項研究還需改進。

1.4 多功能性還需加強

現有的轉臺多為單軸轉臺和定方向轉臺，不同聯接面安裝或多于二軸轉臺技術不成熟，所以適應加工范圍還有待擴展。也就是說該產品應不僅可以適用數控設備，還應能完成加工軸的轉化，并可作為其他普通機床的夾具來使用，擴展其應用范圍和使用價值，具有更大的柔性和適應性。

2 二軸數控轉臺的研制功能

數控轉臺作為數控機床的關鍵部件，其設計的成功與否，將直接影響到數控機床的整機性能和生產效率，因此，研究數控轉臺的結構的動態設計過程，對提高機床的加工精度以及加工質量起著至關重要的作用。對于新型二軸數控轉臺的研制，可以給國產的轉臺發展方向提供新的設計方向，補充國外產品設計缺陷，增加產品的功能要求。使轉臺實現多功能化、模塊化、適應性轉變，更好、更方便地結合現有數控機床控制方式，促進國內轉臺的批量化生產和適用性研究，并形成系統和系列化的研究產品。

通過研究國內外的機械加工發展需求和回轉工作臺工作方式研究，確定此次產品的研發方向應定位于多功能性、應用靈活性和可靠性等方面。兩軸回轉工作臺的研制為多功能轉臺產品的發展提供新的創造性思路，主要實現以下幾方面功能：①實現回轉軸變化的多功能調整方式，增加轉臺加工適用范圍；②實現模塊式的夾具組合方式，適用于夾具的擴展功能和提升機械系統在使用中的剛性；③研制成本較低的單片機控制方式，采用靈活多變且接口適用的控制方法。

數控回轉臺主要用于數控鏜床和數控銑床上，在原有三軸基礎上增加轉動自由度，并與原X、Y、Z軸聯動，實現圓周進給和分度運動。此夾具用于加工有分度要求的孔、槽和斜面，或在加工時轉動工作臺，用于加工圓弧面和圓弧槽等，數控回轉臺不僅提高了加工效率，還可完成更多的加工工藝。常見的數控回轉臺由于受其結構的限制，很難進行結構的調整和功能變換，使其應用范圍受到很大限制。本次研究的組合式數控回轉臺，是在數控回轉臺的研制基礎上吸收了組合夾具的設計理念，在結構上采用了易于夾具重新組合的結構，組合后可實現的臥式單軸和立式單軸驅動，也可實現雙軸聯動，具有方便重新組合的特點。將此夾具安裝在三個坐標直線移動的機床上，使機床在原有的X、Y、Z移動自由度基礎上，增加了X、Z（或X、Y等）轉動自由度，使用夾具后具有較高柔性，擴展了原有數控機床功能及范圍。

3 二軸數控轉臺的研制過程

3.1 夾具總體研制方案的制定

目前，機床數控轉臺的研究主要包括以下方面：機械結構研究，驅動元件研究，控制技術研究，檢測方法研究，可靠性與穩定性研究。通過市場調研確定數控回轉臺的主要參數和應用范圍，即裝夾工件的種類和尺寸、適用機床及切削力指標等；確定夾具的機械結構和尺寸，機械結構應有利于夾具的組合拆裝，以實現新的夾具功能；確定旋轉自由度的組合方式，即C、A軸組合形式和A、B軸組合形式，采用伺服控制方式，并應能實現與現有數控設備接口，還可采用獨立控制方式。

3.2 夾具機械結構的設計與制造

依據夾具所加工件的類型特點，研究傳動機構和支承方式，進行設計計算，確定所承受的切削力及力矩，選擇伺服電機型號、各旋轉軸的傳動比、軸承型號，并校核夾具重要零件剛性；進行三維實體建模，以及運動學和動力學仿真，具體設計夾具機械結構及尺寸；進行CAD裝配圖和零件圖設計；完成機械加工與裝配過程，保證機械裝配及調試精度。

3.3 控制系統功能和控制方式的確定

完成電控箱及控制線路的設計與安裝；實現數控機床與夾具的聯動調試，進行空車試驗、零件加工、剛度測試和批量生產檢驗應重點調試和檢測起始點定位精度、保證定位誤差、重復定位誤差指標和系統剛度。

3.4 夾具的改進研究

在轉臺樣品安裝調試基礎上，通過整體性能檢測，完成夾具的改進設計和制造批量化，即在試加工中測量剛度和定位誤差等指標，完成加工產品的精度測量，進行結構調整和改進；考慮降低成本和適應批量化生產要求，從夾具結構上和控制方式上實現大規模生產方式；設置夾具的外加防護功能，防止鐵屑和油污侵入，保證夾具長期工作的可靠性，增強夾具的控制可靠性和實現產品化的要求。

4 新型二軸數控轉臺的特點

4.1 組合方式的實用性

將組合夾具的特點與傳統的數控回轉臺結合在一起，作為柔性化的機械制造裝備，能適應迅速更換產品的需要，綜合考慮其功能的靈活性和所加工零件類型、尺寸的廣泛適應性。此次開發新型的為適應數控機床和加工中心的加工要求，應具有高的精度和剛度，程序控制的穩定性，操作的方便性。此次研制的組合式數控回轉臺按產品級要求，可適應多種零件加工和多種數控機床，實現各種球、圓弧曲面等的加工。可以預計，組合式數控回轉臺作為一種具有相當柔性的工藝裝備,必將獲得比過去更加廣泛的應用，并推動機械制造業的進步。

4.2 復合加工的科學性

目前數控回轉臺已廣泛應用于數控機床和加工中心上，它的總體發展趨勢是：在規格上將向兩側延伸，即開發小型和大型轉臺；在性能上將大幅度提高工作臺轉速、轉臺的承載能力和柔性組合性能；在形式上繼續研制兩軸聯動或多軸聯動回轉式的數控平臺。大多數金屬加工機床的數控進給復合加工運動，都是以直線軸加上回轉軸運動來實現的。為了應對日益增多的復雜零件加工、提高加工精度和效率，多軸機床和復合機床在此方面進一步創新發展。本次研制產品正是實現了小型化、柔性組合性能，除實現自身二軸聯動基礎上，又向著與原設備聯動方向開發。

4.3 傳動精度控制的合理性

夾具傳動精度是機械加工精度的重要保證，所以應從機械傳動精度、系統剛度和控制精度幾方面保證起始定位誤差和運動精度要求。為達到消除間隙的目的，轉臺消隙方式可采用齒輪副變中心距消隙，輪副偏心套消隙，變螺距蝸輪蝸桿機構等。在實際研制中兩軸分別采用一級減速機構，以減少間隙產生的部位：在X軸采用了1：90傳動比的可調間隙的變螺距蝸輪蝸桿機構，以便在使用過程中克服由于機械磨損而產生的間隙變大現象，可隨時調整傳動間隙；Y軸則采用了輪副偏心套消隙機構的齒輪傳動方式，選定了1：18的空心減速器，以便于所加工的細長工件能夠通過中空卡爪進行安裝，提高了夾具的應用范圍。在傳感器定位方面，轉臺原點調整采用微動開關，轉臺定位前在程序上設定減速以增加定位精度。可設定位撞塊與起始位置的角度數值來設置起始原點位置，以使轉盤回歸機械原點，在兩軸的旋轉方向各采用三開關檢測，即兩個限位開關和一個零點檢測開關。

5 結語

本次研制工作解決了原有國產轉臺裝備適用性及柔性差、制造成本高、數控接口難于對接等問題，實現了多功能化、模塊化和高精度的設計要求。在研制過程上遵循科學的方法，并形成完整的研制資料，十分有利于產品的推廣及二次開發。開發多功能、適用性強的二軸數控轉臺對于傳統數控加工的升級改造、三軸數控機床的加工范圍提升有著重要意義。在數控轉臺的功能上實現轉軸的適應性轉化，根據加工情況改變軸臺的安裝面；實現模塊化及多功能裝夾方式，用戶可通過改變或更換少量部件實現不同的裝夾方法；完成適用性更強和成本更低的控制方式，有利于產品的使用和推廣。另外應該看到機械工藝裝備、精密外購件和數控產品的研制水平始終是制約我國高精端產品研發的阻礙因素，只有真正改善研制環境和投資水平才能實現研制的更高級目標。

[1]呂超，劉建華.數控轉臺的結構形式[J].金屬加工，2013，（13）：18-19.

[2]李樹宏.新型數控機床數控轉臺的動靜態特性分析與結構優化[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013：1-7.

（編輯 文新梅）

The Application Research of Two-axis CNC Rotary Table

XUGuangchi，JUJiabin，SONGQihui
（HeilongjiangAgricultural EngineeringVocational College,Harbin 150088,China)

With the continuous development of domestic machine tool industry，CNC rotary table products have become the core components of CNC machine tools.The research of CNC rotary table is more at abroad，but there is the problem of poor adaptability,less functions and high cost.So the research of a newkind of CNC two-axis rotary table with modular and multi functions has a certain market prospect.

CNCrotarytable;numerical control machine tool；complexsurface machining

T-19

A

1672-0601（2015）11-0091-03

2015-10-05

本文系黑龍江省教育廳2012年度科學技術研究項目“兩軸數控回轉工作臺的研究”（課題編號：12525064）和黑龍江省職業教育協會“十二五”規劃課題“《公差配合與技術測量》實踐的項目教學研究”（課題編號：GG0280）的研究成果。

許光馳（1972―），男，黑龍江哈爾濱人，教授，高級工程師，工學碩士，主要研究方向：機械設計與制造。