大型精密臥式回轉裝置的驅動研究*

郭 召

西安大醫集團股份有限公司 西安 710016

1 研究背景

在大型精密回轉裝置中,大型精密數控機床回轉工作臺、大型雷達轉塔、大型天文望遠鏡回轉臺等要求高精度和高承載,艦船火炮轉塔、坦克炮塔等要求高動態響應。對此，技術人員進行了廣泛研究。

文獻[1]研究了大型齒輪加工機床回轉工作臺的關鍵技術,對轉臺的驅動方法進行了較為詳細的介紹。王國民[2]對大型天文望遠鏡的驅動方式進行了研究,系統介紹了大型天文望遠鏡常用的幾種驅動方式及發展趨勢。張臘梅[3]設計了大慣量雷達天線驅動系統及其傳動鏈。以上研究的回轉裝置多為立式結構,負載施力較為均衡,經過多年發展,驅動技術也已經相對成熟。

在工程應用中,還需要應用臥式布局的回轉結構,其受力與立式回轉裝置有較大差異,面臨偏載、不平衡、偏心、受力不均等問題。立式布局的設計方法及經驗不能完全照搬應用,尤其是對于精密重載的應用場合而言。

可見,對大型精密臥式回轉裝置進行驅動研究,具有重要的工程意義。

2 臥式回轉裝置受力分析

臥式回轉指回轉軸線與大地平行的回轉運動,如數控磨床頭尾架、大型齒輪箱、分度轉臺等,都會做臥式回轉運動,這些通常是小型臥式回轉裝置。常見的大型精密臥式回轉裝置有兆瓦級風力發電機組齒輪箱、質子放射治療系統大回轉架、大型盾構機回轉刀盤等。臥式回轉結構與立式回轉結構相比,受力有較大差異。大型精密臥式回轉裝置受力如圖1所示。圖1中,M為驅動力矩,G為負載重力。大型精密臥式回轉裝置承受較大的傾覆力矩Mq,這對回轉支撐的抗傾覆性提出了較高的要求。對于驅動系統而言,負載實際質心與幾何回轉中心偏離距離為e,由此產生偏載力矩Mp,引起力矩波動及沖擊,因此需要充分考慮對傳動精度的影響。為實現平穩精確的運動控制,適合大型精密臥式回轉裝置的驅動方案有齒輪齒圈驅動、力矩電機直接驅動及摩擦輪驅動。

3 齒輪齒圈驅動

齒輪傳動是一種精密傳動方式,得益于大型齒輪磨床的快速發展,大型齒輪可以通過磨削達到非常高的精度,進而提高齒輪傳動的精度及性能。在大型數控機床轉臺、大型天文望遠鏡轉臺、雷達轉塔等精密回轉機構中,齒輪傳動得到了廣泛應用。對于大型精密臥式回轉裝置,尤其是大型中空類精密臥式回轉裝置而言,齒輪齒圈驅動是一種理想的傳動方案。

圖2所示為一款國產大型質子放射治療設備,采用大型齒圈作為傳動元件,齒圈直徑為5～6 m,通過精密磨削使精度達到IT5～IT6級[4]。

圖1 大型精密臥式回轉裝置受力

圖2 國產大型質子放射治療設備

對于齒輪傳動而言,由于存在齒隙,因此反向傳動時,偏載力矩會帶動負載移動一個微小轉角,影響精度。對于大負載場合,還可能會伴隨沖擊、振動。可見,對于反復換向的運動場合,應用齒輪傳動需要引起重視。采用齒輪齒圈驅動時,一方面要控制負載的不平衡量,另一方面要考慮對齒輪副進行剛性消隙。齒輪傳動常規的消隙方式有改變齒厚、調節中心距等,隨著電控技術的發展,雙齒輪驅動消隙技術得到廣泛應用,尤其適合大型重載荷驅動工況,并且可以滿足剛性消隙的需求,適用于大型精密臥式回轉裝置。

雙齒輪驅動消隙技術的基本原理如圖3所示。

圖3 雙齒輪驅動消隙技術原理

大齒圈作為從動齒輪,同時有兩組大齒圈和驅動輪嚙合。驅動輪分別由兩組相同的驅動單元驅動,在兩組驅動單元之間需要通過控制系統建立一個偏置力矩。驅動單元輸出端齒輪和大齒圈異面嚙合,使大齒圈不能在齒輪間擺動,從而達到消除間隙,提高系統精度的目的。兩組驅動單元有主從之分,回轉時,控制系統對主驅動單元進行位置環控制,實現角度位置的精確控制,同時對從驅動單元進行速度環控制。從驅動單元對主驅動單元進行速度跟隨,不考慮兩者之間的位置偏差,不進行位置比較,避免產生振蕩。在靜止狀態下,兩個驅動單元輸出大小相等、方向相反的力矩,各自拖動的小齒輪分別與大齒圈的兩個輪齒處于異面嚙合狀態。這一消隙技術結構緊湊,消隙力可調,可以獲得較高的回轉精度,對大型精密臥式回轉裝置而言,是一種理想驅動方案[5-6]。

4 力矩電機直接驅動

力矩電機直接驅動具有無背隙、無磨損、傳動鏈短等優點,可以獲得更高的剛度,在回轉驅動中已經得到較為廣泛的應用。目前,力矩電機的基本結構有傳統圓筒形和弧形分段式兩種,如圖4所示。力矩電機的一大優勢是可以在低速運行狀態下獲得大力矩輸出,且運行平穩,能夠克服伺服電機低速運行不穩定的問題。對于有低速運行工況的大型精密臥式回轉裝置而言,非常適合采用力矩電機直接驅動。美國瓦里安醫療系統公司已經率先在新一代產品中采用了弧形分段式力矩電機直接驅動技術,如圖5所示。弧形分段式力矩電機為圓弧形,由多組模塊共同組成,每組模塊包含定子和轉子,可以獨立驅動,協同運動。與傳統圓筒形結構力矩電機相比,弧形分段式力矩電機軸向占用空間小,結構緊湊。每個弧段可獨立驅動,發生故障時,不影響設備正常使用,可以在正常使用完畢停機后進行維修,進而縮短設備非正常停機時間[7-8]。隨著力矩電機制造水平及控制技術的發展,力矩電機直接驅動技術將在大型精密臥式回轉裝置中得到廣泛應用。

5 摩擦輪驅動

摩擦傳動指通過摩擦副之間的摩擦力驅動負載做回轉運動,傳動精度高,摩擦副零件易加工,經濟性好,在大型天文望遠鏡回轉臺中已得到成功應用,可以獲得非常高的傳動精度。采用立式布局摩擦輪驅動時,需要對驅動摩擦輪施加載荷,以保證足夠的摩擦力。采用臥式布局摩擦輪驅動時,負載重力通過摩擦副接觸進行載荷傳遞,負載即為加載裝置,摩擦力穩定可靠,但同時大幅增大了摩擦副接觸區域的應力,需要選擇高屈服強度材料,以延長接觸疲勞壽命,并需要對材料進行熱處理,以提高耐磨性。摩擦輪系為非強制嚙合,對負載的不平衡較為敏感,因此要獲得穩定的傳動精度,平衡的調整是關鍵。摩擦輪驅動在大型精密臥式回轉裝置中的應用如圖6所示。

圖4 力矩電機基本結構

圖5 力矩電機直接驅動的應用

圖6 摩擦輪驅動的應用

大型精密臥式回轉裝置采用摩擦輪驅動,必須避免重載時打滑,并減小彈性滑動。克服打滑的主要措施包括:① 嚴格計算摩擦力矩與實際所需力矩,并留出足夠的安全因數;② 做好靜平衡;③ 保持摩擦副干燥、清潔。減小彈性滑動的措施有選擇高彈性模量材料、提高支撐系統剛性等[9-10]。

6 結束語

筆者對大型精密臥式回轉裝置的驅動進行了研究。齒輪齒圈驅動為強制嚙合,能夠承受較大的力矩,偏載會在運動反向時引起沖擊,合理的剛性消隙是關鍵。力矩電機直接驅動在低速狀態下運行穩定,適用于低速工況。弧形分段式力矩電機結構緊湊,在軸向上占用空間小,后期使用過程中維護方便。隨著制造水平及控制技術的發展,弧形分段式力矩電機直接驅動技術將在大型精密臥式回轉裝置中得到廣泛應用。摩擦輪驅動通過摩擦力傳遞力矩,對偏載敏感,應用于大型精密臥式回轉裝置中時,需要嚴格對回轉部件進行平衡調整,控制偏心量,否則會影響運動精度。摩擦副接觸區域應力集中,需要選擇高屈服強度材料,以延長接觸疲勞壽命。無論采用哪種驅動方式,對回轉部件的平衡調整都是基礎和關鍵。