數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)

李立強(qiáng) 姜 輝

(齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是能源、電力、礦山、造船、重型機(jī)械等大型工件加工的理想輔助設(shè)備，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)與數(shù)控落地式銑鏜床結(jié)合使用可進(jìn)行工件的分度和切削旋轉(zhuǎn)，利用數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)可以擴(kuò)大數(shù)控落地式銑鏜床的加工范圍，減少工件裝卡次數(shù)，提高工件的加工效率和精度，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)可以獨(dú)立使用，用作檢驗(yàn)平臺(tái)等。

現(xiàn)有用戶(hù)需求一臺(tái)最大承重在160 t 以上的高精度數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，主要用于加工礦山機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)筒零件。轉(zhuǎn)筒零件的直徑范圍為φ7～16 m，直徑小于9 m 的轉(zhuǎn)筒零件件一般由二瓣分件組成，直徑超過(guò)9 m的轉(zhuǎn)筒零件一般由三瓣分件組成，其中直徑φ16 m 轉(zhuǎn)筒零件的一瓣分件最大重量約120 t，轉(zhuǎn)筒零件瓣?duì)罘旨妮o助卡緊裝置最大重量約為40 t，在加工轉(zhuǎn)筒零件瓣?duì)罘旨r(shí)，需將轉(zhuǎn)筒零件瓣?duì)罘旨湓跀?shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，并使用專(zhuān)用工裝夾具安裝找正轉(zhuǎn)筒零件，使用數(shù)控落地銑鏜床加工轉(zhuǎn)筒零件瓣?duì)罘旨啥说慕Y(jié)合面和結(jié)合面上的通孔、反劃沉孔;以及加工轉(zhuǎn)筒零件瓣?duì)罘旨脖谏嫌芯纫蟮亩鄠€(gè)直孔和斜孔等工序。用戶(hù)希望通過(guò)使用數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的精確分度功能，在一次裝卡找正轉(zhuǎn)筒零件瓣?duì)罘旨螅瑢⑸鲜黾庸すば蛉考庸ね瓿桑脩?hù)需求本數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的主要目的，是希望通過(guò)使用數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)來(lái)配合數(shù)控落地銑鏜床，提高轉(zhuǎn)筒零件瓣?duì)罘旨募庸ば屎途龋岣咿D(zhuǎn)筒零件瓣?duì)罘旨淮渭庸さ暮细衤剩档娃D(zhuǎn)筒零件瓣?duì)罘旨姆敌蘼省Ｔ谵D(zhuǎn)筒零件加工過(guò)程中，用戶(hù)要求盡可能地避免轉(zhuǎn)筒零件的二次裝卡找正，盡可能地降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

目前，使用傳統(tǒng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)加工轉(zhuǎn)筒零件瓣?duì)罘旨暮细衤什桓撸渲饕蚴莻鹘y(tǒng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)B 軸回轉(zhuǎn)傳動(dòng)精度不高。目前，傳統(tǒng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)B 軸回轉(zhuǎn)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1c)一般采用伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)多對(duì)齒輪傳動(dòng)降速后驅(qū)動(dòng)雙齒輪、大齒圈的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，由于B 軸傳動(dòng)鏈過(guò)長(zhǎng)、傳動(dòng)軸數(shù)量過(guò)多，并且在消隙封閉傳動(dòng)鏈之外，電動(dòng)機(jī)軸與Ⅱ軸之間的齒輪嚙合間隙沒(méi)有被消除掉，使得傳統(tǒng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的分度精度不高。尤其是使用傳統(tǒng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)加工直徑在φ9～16 m 的轉(zhuǎn)筒零件瓣?duì)罘旨r(shí)，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的分度精度誤差被放大，轉(zhuǎn)筒零件瓣?duì)罘旨啥私Y(jié)合面的加工精度經(jīng)常超差，造成轉(zhuǎn)筒零件組裝后的圓柱度超差，轉(zhuǎn)筒零件組裝后成橢圓形，使轉(zhuǎn)筒零件瓣?duì)罘旨恼＜庸び嗔浚y以滿(mǎn)足轉(zhuǎn)筒零件總成后內(nèi)孔和外圓柱面的加工需要，經(jīng)常出現(xiàn)轉(zhuǎn)筒零件瓣?duì)罘旨敌藿Y(jié)合面，并重新裝配成總成件的情況。

為了解決上述難題，筆者公司對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，在使用機(jī)械消隙的雙齒輪、齒圈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將消隙傳動(dòng)鏈之外的電動(dòng)機(jī)軸與Ⅱ軸之間的齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，改進(jìn)為消隙的雙導(dǎo)程蝸桿(見(jiàn)圖1b)、蝸輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。雙導(dǎo)程蝸桿傳動(dòng)與普通蝸桿傳動(dòng)的區(qū)別在于，蝸桿的左右齒面具有不等的導(dǎo)程，而同側(cè)齒面的導(dǎo)程相等，因而這種蝸桿的軸向齒厚，沿其軸線(xiàn)從一端到另一端按比例增大或減小，但是，與它嚙合的蝸輪所有齒的齒厚均相等，因此當(dāng)蝸桿沿軸線(xiàn)作移動(dòng)時(shí)，可以改變蝸桿和蝸輪之間的嚙合間隙。在雙導(dǎo)程蝸桿與蝸輪有嚙合間隙時(shí)，根據(jù)雙導(dǎo)程蝸桿與蝸輪的實(shí)測(cè)嚙合間隙值，相應(yīng)調(diào)整雙導(dǎo)程蝸桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖中調(diào)整墊19 的厚度值，使雙導(dǎo)程蝸桿20 向齒厚減小方向移動(dòng)，使與蝸輪嚙合區(qū)域的蝸桿齒厚增加，蝸桿齒厚的增加量與雙導(dǎo)程蝸桿與蝸輪的實(shí)測(cè)嚙合間隙值相等，從而達(dá)到了消除雙導(dǎo)程蝸桿、蝸輪嚙合間隙的目的。該消隙結(jié)構(gòu)調(diào)整簡(jiǎn)單、操作方便。

1 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)介紹

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主要由床身、滑座、工作臺(tái)、主軸組件、滑座直線(xiàn)進(jìn)給裝置、滑座直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制裝置、工作臺(tái)回轉(zhuǎn)進(jìn)給裝置、工作臺(tái)卡緊裝置、滑座拖鏈、滑座直線(xiàn)反饋裝置、工作臺(tái)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)反饋裝置、冷卻回收裝置、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成。

1.1 床身

在床身與滑座之間使用整體四導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌跨距3500 mm，床身外側(cè)的兩條導(dǎo)軌均使用雙筋板支撐導(dǎo)軌，每一條承重筋板均有一排地腳墊鐵承重，位于床身中間的兩條導(dǎo)軌均使用單筋板支撐、單排地腳墊鐵承重。整體四導(dǎo)軌床身共使用6 排地腳墊鐵，9 m 長(zhǎng)床身上共使用了104 塊調(diào)整墊鐵。床身的地腳墊鐵數(shù)量多、密度大，床身的承載能力大、基礎(chǔ)剛度高、精度保持性好。床身設(shè)置有回油裝置，與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)液壓系統(tǒng)回油管路聯(lián)接，使工作臺(tái)的液壓油可以循環(huán)使用，保證了數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)液壓系統(tǒng)的正常工作。

1.2 滑座直線(xiàn)進(jìn)給裝置

在床身中間安裝有滑座直線(xiàn)進(jìn)給裝置，該裝置使用交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)減速器降速后直驅(qū)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠螺母帶動(dòng)滑座進(jìn)行直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠兩端分別使用一套高精度組合軸承進(jìn)行定位，兩套高精度組合軸承共同承受滾珠絲杠的徑向和軸向載荷，與傳統(tǒng)的雙推對(duì)單推的軸承定位結(jié)構(gòu)，即三套推力圓柱滾子軸承和兩套滾針軸承組合使用，共五套軸承定位滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)相比，僅使用兩套組合軸承定位的滾珠絲杠結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、合理，零件和軸承數(shù)量更少，機(jī)加和裝配的工藝性更好，滾珠絲杠的精度更高，精度保持性更好。

在床身中間安裝有滑座直線(xiàn)反饋裝置，該裝置主要由直線(xiàn)光柵尺組成，滑座在床身上的實(shí)際位置信號(hào)由直線(xiàn)光柵尺反饋給數(shù)控系統(tǒng)，使工作臺(tái)V 軸直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖1d)形成閉環(huán)控制，提高了數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的數(shù)控定位精度。

1.3 滑座

滑座座落在床身上，滑座沿床身導(dǎo)軌面水平移動(dòng)，滑座與床身之間有四條靜壓導(dǎo)軌，通過(guò)滑座下壓板上的靜壓導(dǎo)軌板對(duì)滑座施加適當(dāng)載荷進(jìn)行預(yù)緊，滑座下壓板上的靜壓導(dǎo)軌與床身靜壓導(dǎo)軌形成閉式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。滑座上置有工作臺(tái)，滑座與工作臺(tái)之間使用環(huán)形靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，環(huán)形靜壓導(dǎo)軌可以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的精確定位和承重，保證工作臺(tái)低速時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象，工作臺(tái)即使有偏心載荷，也能使工作臺(tái)保持良好的幾何精度。

1.4 工作臺(tái)回轉(zhuǎn)進(jìn)給裝置

工作臺(tái)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)雙導(dǎo)程蝸桿、蝸輪，通過(guò)齒輪降速后帶動(dòng)雙齒輪與工作臺(tái)大齒圈嚙合的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。雙導(dǎo)程蝸桿、蝸輪和雙齒輪齒圈均為機(jī)械消隙傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，工作臺(tái)B 軸回轉(zhuǎn)進(jìn)給裝置的傳動(dòng)鏈短、傳動(dòng)軸數(shù)量少，傳動(dòng)精度高，精度保持性好。

1.5 滑座直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制裝置

滑座上設(shè)有行程及位置控制開(kāi)關(guān)，撞塊安裝在床身上，滑座直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制裝置的主要功能有:工作臺(tái)參考點(diǎn)、滑座后減速、滑座后極限、滑座前減速、滑座前極限、工作臺(tái)前禁止回轉(zhuǎn)功能控制。在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)移至靠近主機(jī)的區(qū)域內(nèi)時(shí)，前禁止回轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)被壓合，數(shù)控系統(tǒng)控制回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在此位置向前的行程內(nèi)不得回轉(zhuǎn)，即使在人為誤操作工作臺(tái)回轉(zhuǎn)按鈕時(shí)，也可以避免工作臺(tái)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)，從而避免了工作臺(tái)的4 個(gè)長(zhǎng)對(duì)角與主機(jī)碰撞事故的發(fā)生。

1.6 滑座和工作臺(tái)的卡緊裝置

滑座上有工作臺(tái)的直線(xiàn)卡緊和回轉(zhuǎn)卡緊共兩種卡緊裝置，工作臺(tái)直線(xiàn)卡緊使用固定在滑座四角處的四套油缸卡緊，碟形彈簧放松的結(jié)構(gòu)，并由數(shù)控系統(tǒng)控制，即滑座移動(dòng)到位置后，油缸自動(dòng)卡緊滑座體，卡緊動(dòng)作可靠。在滑座需要移動(dòng)時(shí)，必需在油缸液壓油的放松壓力達(dá)到規(guī)定值后，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)才能起動(dòng)，進(jìn)行工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)卡緊裝置(見(jiàn)圖1e)使用液壓卡緊和液壓放松的結(jié)構(gòu)。該裝置安裝在滑座上，卡緊時(shí)油缸驅(qū)動(dòng)拉桿將卡緊體中的卡緊塊向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，卡緊塊卡緊工作臺(tái)的環(huán)形槽，卡緊塊的材料為耐磨青銅，需要放松工作臺(tái)時(shí)，油缸反向運(yùn)動(dòng)可松開(kāi)拉桿，卡緊塊由于自身彈性而向外放松。為了加大卡緊塊與工作臺(tái)環(huán)形槽的接觸面積，兩個(gè)卡緊塊的表面上需修整成與工作臺(tái)環(huán)形槽直徑相同的圓弧形。另外，通過(guò)電氣開(kāi)關(guān)控制，使工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)卡緊動(dòng)作互鎖，保證在工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)卡緊裝置和工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置不能同時(shí)處于工作狀態(tài)。

1.7 工作臺(tái)的定位裝置

工作臺(tái)設(shè)置有4 ×90°的精確定位裝置，當(dāng)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)到4 個(gè)90°位置時(shí)，電氣開(kāi)關(guān)發(fā)出工作臺(tái)回轉(zhuǎn)到位信號(hào)，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)控制，安裝在滑座體上的液壓油缸下腔來(lái)油，定位鍵向上運(yùn)動(dòng)插入工作臺(tái)定位槽中，使工作臺(tái)被精確定位，此時(shí)工作臺(tái)禁止回轉(zhuǎn)電氣開(kāi)關(guān)壓合，控制工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不能被啟動(dòng)。當(dāng)工作臺(tái)需要旋轉(zhuǎn)時(shí)，需按下按鈕站上工作臺(tái)放松按鈕，數(shù)控系統(tǒng)控制安裝在滑座體上的液壓油缸上腔來(lái)油，定位鍵向下運(yùn)動(dòng)退出工作臺(tái)的定位槽，此時(shí)工作臺(tái)禁止回轉(zhuǎn)電氣開(kāi)關(guān)脫開(kāi)，工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)可以正常啟動(dòng)、工作。

1.8 工作臺(tái)

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)使用一套高精度雙列圓柱滾子軸承定心，保證工作臺(tái)具有非常高的徑向跳動(dòng)精度，使用一套推力滾子軸承對(duì)工作臺(tái)施加一定的預(yù)緊力，提高工作臺(tái)的軸向剛度，保證切削加工工件時(shí)，工作臺(tái)具有足夠的抗顛覆力矩，從而保證了工作臺(tái)具有非常高的端面跳動(dòng)精度。工作臺(tái)上部裝有圓光柵，對(duì)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行位置檢測(cè)，使工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成閉環(huán)控制，保證工作臺(tái)具有非常高的分度定位精度。回轉(zhuǎn)工作臺(tái)中間有已加工好的高精度定心孔，與工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)同軸，可用于工件的安裝、找正。

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)V 軸、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)B 軸使用靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)準(zhǔn)確定位無(wú)爬行現(xiàn)象，即使有偏心載荷，也能保持良好的幾何精度。使用靜壓導(dǎo)軌的技術(shù)難點(diǎn)是需要一套穩(wěn)定可靠的靜壓控制系統(tǒng)。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)使用雙導(dǎo)程蝸桿蝸輪消隙結(jié)構(gòu)，徹底消除了數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)B 軸回轉(zhuǎn)傳動(dòng)鏈中的間隙環(huán)節(jié)，使工作臺(tái)回轉(zhuǎn)傳動(dòng)鏈全部使用消隙結(jié)構(gòu)，且在滿(mǎn)足原傳動(dòng)鏈降速比的情況下，減少了傳動(dòng)軸的數(shù)量，故大大提高了數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)傳動(dòng)B 軸的定位精度，床身使用整體四導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，工作臺(tái)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)均使用靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足了礦山機(jī)械大型轉(zhuǎn)筒零件瓣?duì)罘旨庸r(shí)，工作臺(tái)最大承重160 t 的實(shí)際需要。