數控回轉工作臺及關鍵技術

劉偉

（沈陽機床（集團）有限責任公司 刀架事業部，沈陽110142）

0 引言

數控回轉工作臺是立式加工中心、臥式加工中心、立式車銑復合加工中心等數控機床的核心功能部件。按照傳動機構的不同，數控回轉工作臺可以分為機械式回轉工作臺和電動機直驅式回轉工作臺。機械式回轉工作臺由齒輪、蝸輪蝸桿等機構驅動工作臺轉動，電動機直驅式回轉工作臺采用力矩電動機直接驅動工作臺轉動。按照數控回轉工作臺的驅動軸個數不同，數控回轉工作臺可以分為單軸回轉工作臺和雙軸回轉工作臺。按照數控回轉工作臺的安裝形式的不同，可分為立式安裝回轉工作臺和臥式安裝回轉工作臺。按照工作臺回轉角度的不同，數控回轉工作臺可分為分度工作臺和聯動工作臺，分度工作臺在圓周范圍內按指定分度角度旋轉定位，聯動工作臺可沿圓周方向連續進給運動，與其他直線進給軸聯動進行復雜曲面的加工。

數控回轉工作臺的主要技術指標為載荷指標、精度指標、速度指標。為保證數控回轉工作臺的精度和承受負載的能力，要求數控回轉工作臺采用合理的支撐結構、傳動機構和剎車結構。數控回轉工作臺的精度指標主要包括工作臺平面度、工作臺對底面的平行度及工作臺面的端面跳動等。數控回轉工作臺的載荷指標主要包括軸向載荷、徑向載荷、彎曲載荷、扭轉載荷等。

數控回轉工作臺的傳動機構主要有蝸輪蝸桿機構及滾子凸輪、球驅動等類蝸輪蝸桿機構、齒輪機構、力矩電動機直驅機構。蝸輪蝸桿機構及滾子凸輪、球驅動等類蝸輪蝸桿機構廣泛應用于各種中低速和中高載荷回轉工作臺的設計制造；齒輪機構主要用于低轉速、高載荷的大型回轉工作臺的設計制造；力矩電動機直驅主要應用于高轉速、低載荷的中小型回轉工作臺的設計制造。

數控回轉工作臺常用的剎車結構有鼠牙盤式剎車結構、徑向環抱式剎車裝置、軸向摩擦片式剎車結構。鼠牙盤式剎車結構精度高、剎車轉矩大，但僅限于固定齒數的角度分度，不能應用于任意角度分度的回轉工作臺。徑向環抱式剎車裝置結構復雜、零件加工難度高、抱剎力作用半徑小、生產成本高，一般由專業的外購件生產廠商提供。軸向摩擦片式剎車結構具有結構簡單、剎車轉矩大，可應用于任意角度分度的回轉工作臺等特點，近年來廣泛應用于數控回轉工作臺的設計制造[1-3]。

本文研究數控回轉工作臺在配套機床整機和加工零件領域的典型應用，研究回轉工作臺載荷、精度、速度等主要技術指標，研究數控回轉工作臺的傳動機構、支撐軸承、抱閘機構等關鍵技術。

1 數控回轉工作臺的應用

1.1 數控回轉工作臺在機床上的應用

圖1所示為典型數控回轉工作臺和配套主機，以及加工零件關系示意圖。數控回轉工作臺的主要配套機床主機有立式加工中心、臥式加工中心、立式車銑復合加工中心[4-6]。立式加工中心按照搭配數控回轉工作臺的不同可分別構成3軸立式加工中心、3+1軸立式加工中心、4軸聯動立式加工中心、3+2軸立式加工中心。

圖1 數控回轉工作臺在機床整機及加工零件應用

3軸立式加工中心不搭配數控回轉工作臺，適合模具、3C產品零部件的加工；3+1軸立式加工中心，搭配單軸轉臺，實現零件三面的集成加工，適合液壓閥體、泵體、汽車發動機缸體的加工；4軸聯動立式加工中心，搭配單軸轉臺和尾臺，實現回轉體多面加工，適合葉片等零件的加工；3+2軸立式加工中心，搭配搖籃式雙軸轉臺，實現5軸5面的定位加工，適合風機葉輪、多面體箱體和殼體的加工。

臥式加工中心搭配大型轉臺，適用于工程機械、能源、船舶、軌道交通、航空航天等行業的機車轉向架、汽車模具、風電行星架、發動機部件等精密零部件的加工。立式車銑復合加工中心，搭配大型轉臺，主要用于航空航天、軍工、風電、軌道交通、通用機械等加工行業的盾構機回轉體、火車輪、工程機械軸承、風機軸承架等復雜大型盤類零件的加工。

1.2 數控回轉工作臺的主要技術指標

數控回轉工作臺的主要技術指標為載荷指標、精度指標、速度指標。

圖2所示為數控回轉工作臺的典型工況及載荷。切削加工時，切削載荷可分解為平行于轉臺軸線的軸向載荷Fa、垂直于轉臺軸向方向的徑向載荷Fr、繞轉臺軸線旋轉的扭轉載荷T、引起轉臺軸線撓曲變形的彎曲載荷M。

圖2 數控回轉工作臺的載荷

表1 數控回轉工作臺的精度指標

數控回轉工作臺的精度指標主要包括工作臺面的平面度、工作臺面對底平面的平行度、工作臺面的端面跳動、中心定位孔的徑向跳動、工作臺面垂直時對底面的垂直度、主軸回轉中心線對底座側面的平行度、主軸回轉中心線對定位鍵側面的平行度、工作臺的分度精度、工作臺的重復分度精度。

數控回轉工作臺的速度指標主要為工作臺的轉動速度，由驅動電動機轉速和傳動機構的傳動比決定。其中機械式回轉工作臺的轉速一般較低，電動機直驅式回轉工作臺的轉速一般較高。

2 數控回轉工作臺的結構

2.1 單軸回轉工作臺

圖3所示為典型的單軸數控回轉工作臺結構示意圖。轉臺臺面支撐在轉臺軸承上，剎車片用于抱死并制動轉臺臺面，密封結構起轉臺內部機構密封保護作用[7-10]。其中機械式回轉工作臺（如圖3左側視圖）利用蝸桿蝸輪、齒輪等機械機構傳動；力矩電動機直驅式回轉工作臺（如圖3右側視圖）利用直驅電動機直接驅動。機械式回轉工作臺編碼器安裝在伺服電動機上，采用半閉環控制，一般精度可達15″。力矩電動機直驅式回轉工作臺的編碼器安裝在轉臺驅動軸上，為閉環控制，精度可達±（2.5″～5.0″）。

圖3 單軸數控回轉工作臺結構

2.2 雙軸回轉工作臺

圖4 雙軸數控回轉工作臺結構

圖4所示為典型的雙軸轉臺結構示意圖，轉臺由兩個相互垂直的旋轉軸構成。而兩個旋轉軸分別由各自的傳動機構驅動控制。

雙軸轉臺由轉臺臺面、臺面驅動機構、搖擺臂驅動機構、搖擺臂組成，整體外觀構成一個搖籃形狀。搖擺臂和轉臺臺面分別由搖擺臂驅動機構和臺面驅動機構驅動。兩軸相互垂直并相互獨立轉動，為三軸機床提供聯動的第四、第五驅動軸。其中臺面驅動機構和搖擺臂驅動機構各自的工作原理與單軸回轉工作臺的工作原理相同。

3 數控回轉工作臺的關鍵技術

3.1 傳動機構

數控回轉工作臺傳動機構的主要形式為齒輪傳動、蝸輪蝸桿和類蝸輪蝸桿傳動、電動機直驅傳動。齒輪傳動機構主要用于大型轉臺，具有良好的精度、高轉矩、良好的速度，通常采用雙電動機消隙驅動機構。電動機直驅的結構主要用于中高轉矩、高轉速、高定位精度、零反向間隙的數控回轉工作臺。蝸輪蝸桿和類蝸輪蝸桿機構主要用于高精度、高轉矩、中低轉速的數控回轉工作臺。數控回轉工作臺常見的蝸輪蝸桿和類蝸輪蝸桿結構如表2和圖5所示。

表2 蝸輪蝸桿和類蝸輪蝸桿機構

3.2 支撐軸承

圖5 蝸輪蝸桿和類蝸輪蝸桿機構

適合數控回轉工作臺使用的軸承包括精密交叉滾子軸承、YRT型推力-向心軸承、ZKLDF型推力角接觸球軸承、靜壓軸承[11-14]。精密交叉滾子軸承僅適用于低轉速、低轉矩、較小尺寸的轉臺，靜壓軸承適用于大轉速、大轉矩、較大尺寸的轉臺。最廣泛使用的軸承包括YRT系列推力-向心軸承和ZKLDF系列推力角接觸球軸承，結構如圖6所示。

圖6 轉臺軸承

YRT系列推力-向心軸承采用一組徑向滾子和兩組推力滾子的結構，適用于高精度、高剛度、承受聯合負載要求的低速、短時運轉場合。

YRTS和YRTM系列軸承與YRT系列推力-向心軸承具有相同的外形尺寸。YRTS采用特殊的內部結構設計，與YRT系列推力-向心軸承相比，具有更高的極限轉速，并且摩擦力較低，適用于直驅轉臺和車銑復合轉臺使用，但僅具有少數規格產品。YRTM外帶角度測量系統，可以保證轉臺的高精度運轉。

ZKLDF系列推力角接觸球軸承，采用雙列角接觸球軸承的結構，可承受聯合載荷，并且具有極高的轉速和極低的摩擦力矩，又能保證高的回轉精度，適用于高速回轉工作臺。

3.3 抱閘機構

抱閘機構用來克服零件加工過程中的切削力，但對于多軸聯動機床而言，轉臺需要提供聯動軸，切削力不采用抱閘克服，而由電動機和機械傳動系統直接克服[15-17]。

抱閘機構按照抱閘介質的不同，可分為氣壓抱閘和液壓抱閘。氣壓抱閘適用于中低轉矩的場合，液壓抱閘適用于大轉矩場合。按照抱閘執行機構的不同，可分為鼠牙盤抱閘、抱閘套、摩擦盤抱閘，鼠牙盤抱閘適用于大尺寸、大轉矩非連續分度的轉臺，抱閘套和摩擦盤抱閘可以實現連續分度抱閘。圖7分別為抱閘套和摩擦盤抱閘的工作原理。

圖7 抱閘機構

摩擦盤抱閘靠液壓（氣壓）活塞軸向運動，頂緊摩擦盤實現轉臺的抱閘定位；抱閘套靠液壓（氣壓）徑向抱死轉臺驅動軸實現轉臺的抱閘定位。

4 結論

本文研究了數控回轉工作臺在配套機床整機和加工零件領域的典型應用，研究回轉工作臺載荷、精度、速度等主要技術指標，研究數控回轉工作臺的傳動機構、支撐軸承、抱閘機構等關鍵技術，為數控回轉工作臺及機床整機制造企業的工程技術人員提供數控回轉工作臺產品設計及選型設計參考依據。

數控回轉工作臺主要應用于立式加工中心、臥式加工中心、立式車銑復合加工中心等機床。立式加工中心搭配單軸回轉工作臺，適合液壓閥體、泵體、汽車發動機缸體、葉片等零件的加工；立式加工中心搭配搖籃式雙軸轉臺，適合風機葉輪、多面體箱體和殼體的加工。臥式銑鏜加工中心搭配大型轉臺，適用于工程機械、能源、船舶、軌道交通、航空航天等行業的機車轉向架、汽車模具、風電行星架、發動機部件等精密零部件的加工。立式車銑復合加工中心搭配大型轉臺，主要用于航空航天、軍工、風電、軌道交通、通用機械等加工行業的盾構機回轉體、火車輪、工程機械軸承、風機軸承架等復雜大型盤類零件的加工。

數控回轉工作臺的主要技術指標為載荷指標、精度指標、速度指標。與技術指標相關的數控回轉工作臺的關鍵技術為傳動機構、支撐軸承、抱閘機構。載荷指標由轉臺軸承和抱閘機構決定，精度指標由傳動機構及其控制系統的精度決定，速度指標由驅動機構的轉速和傳動比決定。