數(shù)控機(jī)床工作臺研究
——以直驅(qū)靜壓回轉(zhuǎn)工作臺為例

蘇顯峰

(黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱 150001)

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數(shù)控機(jī)床工作臺研究
——以直驅(qū)靜壓回轉(zhuǎn)工作臺為例

蘇顯峰

(黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱 150001)

立足于數(shù)控機(jī)床直驅(qū)靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，通過靜壓導(dǎo)軌和直驅(qū)技術(shù)的結(jié)合，對關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，確定一種直驅(qū)靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的整體設(shè)計(jì)方案。軸向采用靜壓導(dǎo)軌支撐，使工作臺具有較高的軸向剛度和回轉(zhuǎn)速度。直驅(qū)技術(shù)采用力矩電機(jī)，提高轉(zhuǎn)臺的精度，改善了動態(tài)響應(yīng)特性。

數(shù)控機(jī)床；直驅(qū)靜壓；回轉(zhuǎn)工作臺

在數(shù)控機(jī)床直驅(qū)靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，選取力矩電機(jī)作為驅(qū)動，靜壓導(dǎo)軌作為承載，向心球軸承為支撐，提出直驅(qū)靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計(jì)方案。我國數(shù)控機(jī)床的功能部件研發(fā)技術(shù)滯后，制約著部件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，也制約著高檔數(shù)控機(jī)床的研發(fā)和推廣。

1 直驅(qū)靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的性能特征

數(shù)控回轉(zhuǎn)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(biāo)進(jìn)給聯(lián)動進(jìn)行曲面加工等。國內(nèi)外文獻(xiàn)資料表明，在數(shù)控多軸聯(lián)動回轉(zhuǎn)工作臺的實(shí)現(xiàn)方案中，主要有以下三種結(jié)構(gòu)類型：滾動齒蝸輪蝸桿副回轉(zhuǎn)工作臺、電機(jī)直接驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺、伺服電機(jī)驅(qū)動齒輪齒條副回轉(zhuǎn)工作臺。作為數(shù)控銑車的常用部件，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺中應(yīng)用的直驅(qū)技術(shù)與工作臺臺體一起，不同于伺服電機(jī)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(jī)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(shù)發(fā)展，因此，并不適用于高速高精度回轉(zhuǎn)工作臺。

在伺服電機(jī)驅(qū)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(jī)的轉(zhuǎn)動，將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以驅(qū)動控制對象，克服了滾動齒蝸輪蝸桿驅(qū)動電機(jī)過程中的發(fā)熱與噪音問題。此外，伺服電機(jī)還具有精度高、高速性能好等特點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)低速大扭矩輸出時(shí)，其局限性在于減速機(jī)的背隙、振動，以及伺服電機(jī)本身的性能等。

電機(jī)直接驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺的驅(qū)動是步進(jìn)電機(jī)，作為伺服技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，具有損耗小、噪音低、少維護(hù)等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)低速大扭矩、高精度定位，省去了減速機(jī)等機(jī)械結(jié)構(gòu)，與伺服電機(jī)相比，該系統(tǒng)的精度進(jìn)一步提高。

2 直驅(qū)靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺作為機(jī)床的重要附件之一，使主機(jī)增加了一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動坐標(biāo)軸，大大擴(kuò)展了主機(jī)的加工范圍。直驅(qū)靜壓回轉(zhuǎn)工作臺將靜壓導(dǎo)軌和直驅(qū)技術(shù)相結(jié)合。回轉(zhuǎn)工作臺在工作性能上的兩個(gè)重要指標(biāo)是：工作臺臺面尺寸和工作臺承載能力。靜壓導(dǎo)軌利用液壓力讓導(dǎo)軌和滑塊之間形成油膜，從而減小了滑塊和導(dǎo)軌之間的摩擦力。開式與閉式靜壓導(dǎo)軌相比，后者的精度和剛性較前者有所提高，因?yàn)樵诳蛊d能力方面具有突出的優(yōu)越性。

直驅(qū)技術(shù)的核心是采用力矩電機(jī)。以力矩機(jī)床為驅(qū)動方式的機(jī)床，克服了傳統(tǒng)大型機(jī)床工作臺振動、動態(tài)剛度差、轉(zhuǎn)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(jī)驅(qū)動可以輕松實(shí)現(xiàn)角秒級的靈敏度，不再通過機(jī)械傳送的方式來構(gòu)成傳送鏈。力矩電機(jī)通過減少運(yùn)行中的磨損，減少了工作臺的維護(hù)，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(dǎo)軌技術(shù)與直驅(qū)技術(shù)相結(jié)合。軸向采用靜壓導(dǎo)軌支撐，使工作臺具有較高的軸向剛度和回轉(zhuǎn)速度。直驅(qū)技術(shù)采用力矩電機(jī)，提高了轉(zhuǎn)臺的精度，改善了動態(tài)響應(yīng)特性，其他相關(guān)功能性結(jié)構(gòu)略。

3 直驅(qū)靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的用于大型機(jī)床的直驅(qū)靜壓回轉(zhuǎn)工作臺主要結(jié)構(gòu)如圖1～3所示。轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)中心定位通過NN3048軸承支撐電子轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)子連接套的外臺肩下側(cè)與力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過螺釘聯(lián)系起來。工作臺下方內(nèi)環(huán)與電機(jī)轉(zhuǎn)子連接套通過螺釘相連，電機(jī)轉(zhuǎn)子連接套得到內(nèi)靜壓導(dǎo)軌板的支撐，外靜壓導(dǎo)軌板支撐工作臺下方外環(huán)。內(nèi)、外靜壓導(dǎo)軌支撐面的接觸可以精調(diào)。力矩電子的定子與電機(jī)定子連接套的內(nèi)側(cè)肩相連。為了使力矩電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子保持同心一致，需要將電機(jī)定子連接套的外側(cè)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(diào)節(jié)環(huán)的調(diào)整，連接法蘭盤的調(diào)整，使回轉(zhuǎn)中心與NN3048軸承的回轉(zhuǎn)中心重合。螺帽將動壓環(huán)固定在由內(nèi)、外壓環(huán)所圍成的U型槽內(nèi)。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。活塞桿帶動動壓環(huán)控制上下油腔的進(jìn)出油，其他結(jié)構(gòu)部件略。

圖1 滾動齒蝸輪鍋桿副回轉(zhuǎn)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(jī)。圖2 伺服電機(jī)驅(qū)動齒輪齒條副回轉(zhuǎn)工作臺Fig.2 Servo motor drive gear rack rotary table

1-工作臺；2-外靜壓導(dǎo)軌板；3-靜壓導(dǎo)軌進(jìn)油口；4-滑鞍；5-冷卻介質(zhì)進(jìn)/出水口；6-51168軸承；7-電機(jī)定子連接套；8-力矩電機(jī)；9-軸承壓環(huán)；10-NN3048軸承；11-電機(jī)轉(zhuǎn)子連接套；12-定心軸承座；13-靜壓導(dǎo)軌油油箱；14-編碼器；15-編碼器調(diào)整環(huán)；16-向心球軸承；17-編碼器調(diào)整法蘭盤；18-內(nèi)靜壓導(dǎo)軌板；19-內(nèi)靜壓導(dǎo)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(nèi)壓環(huán)；26-外靜壓導(dǎo)軌支撐面；27-內(nèi)靜壓導(dǎo)軌回油口；28-外靜壓導(dǎo)軌回油口。圖3 直驅(qū)靜壓回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Direct drive static pressure rotary table structure chart

4 結(jié)語

目前，傳統(tǒng)的加工設(shè)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(jī)床的出現(xiàn)是先進(jìn)制造技術(shù)和制造信息集成化的產(chǎn)物，數(shù)控機(jī)床在制造裝備業(yè)中起到了非常重要的作用，是工作生產(chǎn)的母機(jī)，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化裝備的基石，是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的基石，是保證我國高技術(shù)產(chǎn)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(jī)床的性能要求越來越高，數(shù)控機(jī)床整體性能的好壞，與其功能部件的性能具有直接相關(guān)性。機(jī)床的研發(fā)在一定程度上制約并引導(dǎo)著加工制造業(yè)的技術(shù)發(fā)展方向，當(dāng)下，數(shù)控機(jī)床向多軸聯(lián)動的方向發(fā)展，因此，對數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的精度要求也越來越高。由于涉及軍工、精密機(jī)械等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，因此，對數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺關(guān)鍵技術(shù)及部件的研究與開發(fā)，已成為各國競爭的重點(diǎn)。近年來，我國在五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床研發(fā)方面，雖然取得了巨大的進(jìn)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(jìn)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