數控回轉工作臺設計與研究

零梅勇

（廣西理工職業技術學校，廣西南寧 530031）

0 引言

數控回轉工作臺主要以軸聯動進行工作，五軸聯動可以對擺動和回轉兩個軸的坐標進行定位。數控回轉工作臺的定位精度和速度平穩性是數控機床的重要指標，在設計中要格外注重提升數控工作臺的精度和平穩度，提升對數控機床的控制。五軸聯動數控機床是當前最能體現國家工業發展程度的指標，針對其的總體結構、原理、設計要點等方面展開論述。

1 五軸聯動數控機床概述

數控回轉工作臺由滑座、工作臺、床身、主軸組件、滑座直線進給裝置、控制裝置等部件構成。床身的作用主要是承載，一般要求床身基礎強度較好、精密度較高，在床身設置有回油裝置，和回轉工作臺通過管路相連接，實現液壓油的循環利用，保證數控回轉工作臺的穩定工作[1]。滑座位于床身上，其上設置有工作臺，兩者之間通過環形靜壓導軌結構相連接，從而保證工作臺具有一定的承壓能力，同時能夠進行精準的定位。在實際的工作中，即使出現偏心載荷的情況，也可以確保工作臺具有良好的精度。工作臺定位裝置由數控系統控制，定位鍵往上插進工作臺的定位槽中實現精準定位，定位鍵往下運動退出工作臺的定位槽后，工作臺的回轉電器開關脫開，電機就可進行正常工作。工作臺有著一套精密度十分高的軸承，以此來提高軸承向工作臺添加的預緊力，確保工作臺具有較好的端面跳動精度。工作臺上安裝有圓光柵，可以對工作臺的運動軌跡進行定位，確保其運動形成的是閉環，保證工作臺具有十分高的分度定位精度。

根據軸承數的不同，可以對數控回轉工作臺進行分類，五軸聯動數控回轉機床是當前比較能夠代表我國工作發展狀況的一類設備[2]。五軸聯動數控機床又叫做五坐標機床，這種機床在原來三軸的基礎上又添加了兩個軸，不僅能實現沿X、Y、Z 軸的直線線運動，還能實現繞著X 軸和Z 軸的旋轉運動。五軸聯動數控機床可以實現任意方向上對刀具的控制，同時軸線也可以在一定范圍內隨意轉動。五軸聯動數控機床有以下特點：①能夠有效消除刀具的干擾，具有廣泛地適應性，可以對復雜的零件進行加工；②對于立體形狀的零件，可以采用直徑較大的刀具逼近其表面開展進一步的加工，利用五軸聯動數控機床工作可以實現較少的走刀次數，零件的加工余量殘留較少，進一步提高工作效率；③五軸聯動數控機床可以使零件表面呈現出最好的切割狀態，如球頭刀加工時可以有效避免球頭底部的切割，刀具所承受的力是相同的，因此受力情況和變形情況保持一致，零件表面的誤差不會相差太多，進一步提高了零件表面的平衡性能，在提高加工效率的同時也保證了零件的質量；④對直紋面類型的零件，可以采用一刀切的方式，成品質量好的同時工作效率也提高。

2 數控回轉工作臺的設計

2.1 工作原理

數控回轉工作臺是數控鉆床的分度回轉附件，其結構較為復雜。數控回轉工作臺有兩個作用：①使工作臺嚴格按照圓周的形狀進行切削工作，完成閉合；②使工作臺能夠分度開展工作。數控回轉工作臺能夠在系統的控制下，在需要時完成上述的切削任務。在實際的工作中，數控回轉工作臺由電機驅動，采用變化速度的方式進行工作，其工作的精確度完全由控制系統來決定[3]。在設計上一般采用分箱體式結構，以此來進一步增加數控回轉工作臺的準確度和承力強度[4]。數控回轉工作臺的主要構成部分有回轉主軸、工作花盤、基座、導航等。

五軸數控回轉工作臺的回轉軸有兩種形式：工作臺回轉和依靠立式主軸頭回轉。工作臺回轉是通過機床數控系統來實現的，該系統先輸出數個脈沖到電機，然后電機通過聯軸器實現和蝸桿的連接，在蝸桿的帶動下，蝸輪開始減小速度，然后在蝸輪軸上安裝齒輪以消除縫隙，齒輪帶動著齒圈傳動，從而使工作臺主軸帶動工作盤面回轉，在電機將進給脈沖輸出完成前幾秒，數控系統向電機發出指令要求減速以減少停止時的沖擊力度，當轉臺回轉到既定位置的時候，電機就執行制動命令，通過電機的零轉速制動力矩實現工作臺的回轉制動。

2.2 數控回轉工作臺的設計

根據功能的不同，可以將整個數控回轉工作臺分為兩個部分：圓周部分和擺動部分[5]。根據傳動結構的不同又可以將兩個部分進行細分：齒輪傳動部分和蝸輪蝸桿傳動部分。

圓周回轉部分的設計，這部分計算可以分為兩個部分：對蝸輪蝸桿和齒輪傳動部分的計算。對圓柱齒輪傳動部分的設計包括材料選擇、參數設定、螺旋角度的選擇、齒輪直徑計算等。對于蝸輪蝸桿傳動設計主要包括齒數、蝸輪蝸桿材料、效率計算、熱平衡計算等。工作參數按照相應的設計要求確定，工作臺主要用來對鉆床上連續孔的精確分度，因此在實際的工作中需要根據鉆削加工的切削力度和扭矩進行設計。在切削過程中工況比較復雜，因此，一般按照以下經驗公式進行計算：

式中，CM表示不同切削條件和材料下的扭矩計算系數；CY表示不同切削條件和材料下的軸向力計算系數；d0表示鉆頭的直徑，單位mm；f 表示走刀量，單位mm/r；K 表示切削力修整系數；W 表示角速度，單位rad/s。

對于蝸輪蝸桿的設計，在數控轉臺中，側隙的存在會對定位的準確性造成極大影響，在實際工作中要盡量減少甚至消除側隙對數控轉臺精度的影響。雙導程蝸桿傳動可以有效改變嚙合側隙的特點，使其結構更加緊湊，方便調節。在設計中，應該先按照相關標準對蝸輪蝸桿的結構及參數進行設計，再對齒輪厚度進行調整，將其設計成雙導程漸厚蝸桿[6]。這種蝸桿的工作原理和一般蝸桿的工作原理一樣，其橫截面相當于基本齒條，蝸輪則相當于齒輪。左右兩邊齒輪的間隔距離是不一樣的，但是同一邊的齒輪間隔的距離是一樣的，因此嚙合條件并沒有被破壞。當軸向移動蝸桿之后也能實現兩者較好的吻合。在進行計算時一般按照以下公式：

公稱模數t中=（t左+t右）/2

齒厚增量系數k=（t左+t右）/t中=2t差/t中=2m差/m中

此外，還需要確定齒輪厚度調整量，齒輪厚度值是為了對出現的誤差進行補償，根據誤差值和最大允許磨損量來確定的，按照相關標準建議選擇0.44 mm。

對于精確定位和工位鎖緊的設計，由于工作臺幅面的設計尺寸一般比較大，因此在實際設計中主軸回轉會具有較大的轉動慣量，這不便于進行精確定位。在設計時，需要安裝制動器，幫助主軸實現短時間內的制動和工位保持[7]。這種制動器在工作時主要通過電磁力將制動器上片和安裝板壓實，通過摩擦力抱緊主軸，確保工作臺定位精準。在進行分度回轉時，要保證制動器處于得電的狀態，磁力為零，這時安裝板和制動器處于分開狀態，主軸可以進行回轉分度；在完成分度工作之后，制動器又呈現失電狀態，主軸又可以實現快速制動，確保分度精度。

3 結束語

針對數控回轉工作臺的工作原理和設計方案，精度要求較高的機械對數控回轉工作臺的要求也比較高，要求數控回轉工作臺具有較為穩定的速度和較高的工作精密度。在實際的設計工作中，可以通過雙導程蝸桿蝸輪結構來提升數控回轉工作臺的回轉定位精度，以此提升整個數控回轉工作臺的工作質量和效率，進一步提高我國的工業程度。