一種高速數控轉臺

刁靜林 王桂東

（1.煙臺環球機床裝備股份有限公司，煙臺 264000；2.山東省機械設計研究院，濟南 250031）

1 數控轉臺基本概述

數控轉臺是拓展機床加工功能的重要附件，尤其是立式加工中心，如果能配上性能優良的數控轉臺，其性能將和復合加工中心性能水準相同。目前，配在機床上的轉臺主要分為三種，即蝸輪蝸桿傳動驅動式、圓柱直齒輪減速驅動式和力矩電機直驅式。

蝸輪蝸桿減速驅動式和圓柱直齒輪減速驅動式數控轉臺，通常以機械端齒盤作為定位元件實現分度，這種分度方式存在結構復雜、分度運行慢以及最小分度單位大等缺陷；而力矩電機直驅式數控轉臺，雖然具有結構簡化、運行快、可以任意分度等優點，但定位穩定性較前兩者差距較大，難以承擔重大載荷。本文所述高速數控轉臺，在利用力矩電機直驅優勢的狀況下，采用了多片疊層摩擦式制動系統，不但克服了上述缺陷，而且具有車削功能，外形如圖1所示。

圖1 外形示意圖

2 高速數控轉臺結構簡介

本設計高速數控轉臺結構如圖2所示，其剎車片構成如圖3所示，高速數控轉臺由轉臺體、轉臺、制動器和傳感器等四部分構成。

2.1 轉臺體

轉臺體包括軀殼1、定子17、轉臺蓋19、屏蔽殼20和定位鍵28等。定子17固嵌在軀殼1內，定子17與殼體1之間設有屏蔽殼20，轉臺蓋19通過螺釘18緊固在殼體1上，定位鍵28緊固在軀殼1上；當轉臺與機床安裝時由定位鍵28定位、通過T形螺釘緊固。

2.2 轉臺

轉臺包括工作臺2、上壓圈4、軸承5、下壓圈13和轉子16等。工作臺2通過軸承5裝在軀殼1上，上壓圈4和下壓圈13將軸承5的外圈、內圈分別緊固在軀殼1和工作臺2上，使工作臺2與軀殼1形成轉動副。

圖2 結構示意圖

圖3 剎車片放大示意圖

2.3 制動器

制動器包括內滑套9、靜摩擦片10、動摩擦片11、缸上蓋12、缸套14、活塞套15、缸下蓋24、密封環25、銷軸26和固定套27等。固定套27大端固裝在轉臺蓋19上，固定套27小端套裝著一組靜摩擦片10，靜摩擦片10通過螺釘8緊固在固定套27上；一組靜摩擦片10與另一組動摩擦片11交替疊裝，摩擦片與摩擦片之間均保留0.1～0.4mm的間隙，動摩擦片11通過螺釘7固裝在工作臺2上；內滑套9裝在固定套27內，內滑套9左端為法蘭盤形，法蘭盤內側的外沿設有環形弧面，環形弧面能夠對摩擦片起施力作用，內滑套9右端設有橫孔，孔內裝有銷軸26，銷軸26同時穿過固定套27和活塞套15，并與內滑套9、活塞套15為過盈配合，與固定套27為長孔間隙配合；缸上蓋12、缸套14、活塞套15、缸下蓋24和密封環25等構成液壓缸（或氣缸），缸上蓋12外端外沿設有環形弧面，環形弧面能夠對摩擦片起施力作用。

2.4 傳感器

傳感器21設有動圈和靜圈，動圈裝在定子17上，靜圈裝在轉子16上。

3 功用及原理

本高速數控轉臺主要有3項功能，即分度功能、插補功能和車削功能。這些功能的實現主要是基于工作臺2的運行，由于工作臺2與轉子16固裝在一起，當力矩電機旋轉或停止使，工作臺2與轉子16一同旋轉或停止，對力矩電機的控制就等于對工作臺2的控制。力矩電機為伺服電機，裝有傳感器21，傳感器21將轉子16的位置反饋給系統，使系統能夠更加精確地控制力矩電機。

3.1 分度功能

運用分度功能時，對工作臺有三個要求：第一，分度單位小。由于工作臺與力矩電機直聯，因此，分度單位就是力矩電機的最小進給單位，這點伺服電機能夠滿足要求。第二，位置準確，即要求定位精度高。由于位置傳感器與轉子直聯，這點伺服電機同樣能夠滿足要求；第三，定位剛度高。由于伺服電機的靜態扭矩有限，定位剛度完全靠伺服電機的靜態剛度是不夠的，所以，本轉臺通過設置無間隙、大扭矩制動器，滿足了工作臺高定位剛度的要求。

3.2 插補功能

當所配機床有預先設留的擴軸功能時，將該轉臺的伺服電機并入機床，與機床的其他軸一起實現插補功能。

3.3 車削功能

本轉臺的工作臺2能夠達到較高轉速，且具有足夠的剛性，如果與立式加工中心配合，立式加工中心的主軸可作為車刀架，實現車削功能，成為“銑車復合”加工中心。

4 關鍵創新點

本文介紹的高速數控轉臺制動器由一組靜摩擦片10和一組動摩擦片11交替疊裝而成，具有無間隙、大扭矩特點，是本高速轉臺的關鍵創新點，制動器如圖4所示。

圖4 制動器示意圖

該制動器的動力由置于轉臺腹腔內的中空油缸（或氣缸）提供，常規狀態下，油缸（或氣缸）右腔進油（氣），缸套14右移，缸上蓋12同時右移，活塞套15左移，內滑套9同時左移，此時，靜摩擦片10和動摩擦片11處于放松狀態，制動器未制動。當油缸（或氣缸）左腔進油（氣）時，缸套14左移，缸上蓋12同時左移，活塞套15右移，內滑套9同時右移，此時，缸上蓋12和內滑套9上的兩環形弧面對靜摩擦片10和動摩擦片11夾壓，使制動器制動，制動扭矩如式（1）所示。

式中，TC為制動扭矩；n為動、靜摩擦片的總片數；Q為對摩擦片的夾壓力；μ為摩擦因數；Dp為摩擦片平均受力直徑。

由上式可以看出，制動扭矩TC與摩擦片片數（n-1）成正比，當摩擦片片數增加時，將會產生足夠大的制動扭矩，保證工作臺的定位剛度。

5 結語

本文介紹的高速數控轉臺，去除了蝸輪蝸桿副、齒輪副，結構布局緊湊，并且轉臺電機可以與工作臺直聯，剛性好，精度高，具有車削功能。但由于該設備為機電一體化產品，其操作技術含量及制造成本都比較高。

在高速數控轉臺設計中，需要注意摩擦片須選用具有彈性的耐磨材料，厚度控制在0.5～2mm，且摩擦片間隙主要以線速度確定，線速度高是需要提高，但總體應控制在0.1～1范圍內。最后，力矩電機設計須與控制系統和驅動器要協調。