大型直驅靜壓轉臺關鍵技術的分析與結構設計

孫淵濤，楊建璽，崔鳳奎，王東寅

(河南科技大學機電工程學院，河南洛陽 471003)

隨著我國裝備制造業的迅速發展，零件形狀的復雜程度及精度要求也越來越高，生產周期也越來越短，傳統的加工設備很難再適應現代裝備制造業多樣化、柔性化與復雜零件的高效率、高精度的加工要求，因此數控機床正朝著高速、高精度多軸聯動的方向發展。其中大型高精度數控回轉工作臺是大型數控機床多軸聯動的關鍵部件，因此對其關鍵技術的研究與開發是各國競爭的重點，它涉及到軍工、精密機械、礦山機械、風力發電等行業的發展。盡管近年來我國在大型機床的研究與開發方面取得了一些可喜的成績，但對于一些關鍵零部件如大型高精度直驅式旋轉工作臺及控制系統的研究及應用與國外發達國家相比還有一定差距。

針對上述大型精密旋轉工作臺發展的現狀，作者對回轉臺的傳動方式、承載形式和轉臺旋轉角度的檢測方法等一些關鍵技術進行分析，并對這些關鍵技術的種類進行比較，最終選用力矩電機直接驅動作為大型精密轉臺的傳動方式、靜壓導軌作為大型精密轉臺的承載方式、靜壓向心軸承作為大型精密轉臺中心軸的支承方式、磁柵尺作為大型精密轉臺角度測量與反饋控制方式，給出了一種大型精密轉臺的結構設計方案，該結構可廣泛應用于立車、滾齒機、加工中心等機床上。

1 旋轉工作臺的驅動方式

直驅 (Direct Drive)電機技術是指用一種新型電機直接驅動運動部件運動，省掉了中間一系列的傳動環節。它一般分為直接驅動部件做直線運動的直線電機驅動和直接驅動部件做旋轉運動的力矩電機驅動［1］。力矩電機 (DDR)是在20世紀50年代初期就被提出，但由于當時使用高速伺服電動機再經過齒輪等減速機構來驅動負載已經能夠滿足要求，再加上受當時電機控制技術的限制，致使力矩電機沒有得到很好的應用與發展。直到在20世紀90年代初，國際上才開始應用，現已經進入廣泛應用階段。

傳統大型機床的旋轉工作臺是由電機旋轉產生動力，并通過蝸輪蝸桿將動力放大，從而驅動工作臺旋轉。這種驅動方式的缺點是傳動鏈比較長，傳動累積誤差也比較大，雖有較好的靜態剛度，但這種驅動方式在完成啟動、加速、減速、反轉及停車等運動時容易產生較大的彈性變形、摩擦和反向間隙等，這些會造成工作臺振動、動態剛度差，從而使轉臺伺服系統對動態干擾的抑制能力變差［2］。另外傳統的大型旋轉工作臺為了在精度上、速度上取得進步，不得不付出更高的制造成本，而且成本的提高和性能的提高并不成比例。力矩電機作為近十年來世界范圍內新興的傳動技術，具有傳統傳動無法比擬的優越性:首先應用力矩電機驅動，工作臺的線速度可以提升到150 m/min以上，轉臺轉速可以達到每分鐘幾百轉，從而使生產效率提高10倍以上;其次，在精度上，力矩電機驅動可以使工作臺輕松地實現角秒級的靈敏度，而傳統的蝸輪蝸桿傳動大多只能實現角分級的靈敏度，力矩電機驅動能使工作臺的精度提高一個數量級;再次，在轉臺壽命方面，力矩電機直接省掉了中間的機械傳動部分，從而可以減少磨損，減少轉臺的維護，提高轉臺的使用壽命，從長遠來說降低了成本。

2 旋轉工作臺的承載方式

旋轉工作臺的承載方式主要分為:普通的滑動導軌承載、滾動軸承作為回轉的導軌承載、液體靜壓導軌承載、氣浮導軌承載等形式。普通的滑動導軌又分為金屬直接對金屬或者金屬對貼塑導軌和噴塑導軌之別:金屬直接對金屬的導軌結構由于摩擦力比較大，所需的驅動力矩也比較大、發熱、爬行比較嚴重，從而使工作臺壽命比較短，功率消耗大，效率比較低，所以現在的數控機床基本上已不再采用;貼塑導軌或噴塑導軌在機床的局部領域仍有應用，不過摩擦因數約為0.04［3］。滾動軸承作為回轉的導軌摩擦因數約為0.005，但其成本較高，抗振動沖擊的能力比較差，結構復雜［4］，大直徑滾動軸承dn值比較低，從而使大直徑工作臺的轉速受到了較大的限制［5］。靜壓導軌又有卸荷、開式、閉式導軌3種結構，這3種結構又各有不同的特點:其中卸荷開式靜壓導軌在大型機床上有它的缺陷，因為70%左右的載荷都集中在幾個卸荷點上，容易使導軌產生變形，同時在作低速進給運動和定位調整時，它不能夠滿足數控機床控制要求，無法消除機床運動時的爬行。開式靜壓導軌的優點是使用壽命長，對導軌材料的要求不高;摩擦因數比較小，約為0.000 5，屬于純液體摩擦，并且低速下不爬行，速度和載荷變化對油膜剛度影響也比較小，工作比較穩定;與滾動導軌相比，抗振性能好［6］。閉式靜壓導軌不但具有開式靜壓導軌的一系列優點，而且精度和剛性較開式靜壓導軌有所提高，特別是抗偏載的能力較開式靜壓導軌有較大提高，多用在大型精密重載機床上。氣浮導軌的優點是摩擦因數和發熱量均很小、幾乎無磨損、精度很高、不存在污染和輻射等優點，但靜壓氣浮導軌最致命的缺點為承載能力小、剛度和穩定性比較差以及制造安裝精度要求高等，常用在高速、高精度以及小型低載的場合，這些缺點限制了它在大型重載場合的使用。

3 轉臺旋轉角度的檢測方法

角度測量是測量技術的重要組成部分，迄今為止各種角度測量手段發展已較為完備，并且這些手段的綜合運用使測量精度達到了很高的水平。角度測量技術可以分為靜態測量和動態測量兩種，對于靜態測量技術來說，目前的主要任務集中在如何提高測量精度和測量分辨力上。角度測量技術中最早研究的是機械式測角技術，一般為多齒盤分度，角度測量范圍根據齒盤的齒數而定，所以測量精度和測量分辨力比較低。現在一般多用電磁式和光學測角技術，光學測角方法主要有圓光柵測角法、光學內反射小角度測角法、激光干涉測角法、環形激光測角法等，圓光柵測角法應用得雖然比較廣泛，但其與轉臺的對心準確度要求比較高，使用環境比較苛刻，且大直徑圓光柵制作較為困難，價格昂貴，并不適合大型轉臺的分度與測量;光學內反射小角度測角法測量范圍很小，一般用于小角度測量;激光干涉測角法所做的儀器體積龐大，并不適合現場使用;環形激光測角法只能實現動態測量，且對測量條件要求比較高［7］。電磁式測角法主要分為旋轉式感應同步器測角法和圓磁柵測角法，旋轉式感應同步器輸出信號比較弱，且信號處理麻煩，配套用于信號處理的電子設備 (一般為數顯表)比較復雜，價格比較高;磁柵安裝簡易，可以將直線磁柵直接貼在工作臺外徑圓周方向從而把其當作圓磁柵用，這些圓磁柵的分度精度與工作臺直徑成正比，即工作臺直徑越大，磁柵的分度精度越高，并且磁柵允許有較大的安裝誤差，維護方便，可用于大型機床工作臺惡劣的工作環境。

4 大型直驅靜壓工作臺結構與工作原理

在圖1中，力矩電機為無框架式無刷直流力矩電機，其定子4通過螺釘和工作臺底座15相連，轉子8通過螺釘和法蘭13相連，法蘭13又通過螺釘和工作臺2相連，這樣在力矩電機旋轉的情況下直接驅動工作臺旋轉;在恒壓供油的情況下，工作臺底座上均勻分布的靜壓導軌油腔3和靜壓向心軸承上均勻分布的靜壓油腔12組成類似閉式靜壓導軌的結構，從而使工作臺上浮一定高度;靜壓向心軸承結構是:靜壓向心軸承9通過螺釘14固定在工作臺底座上，靜壓向心軸承油腔11均勻分布在外圓柱面上，進油管均勻分布在靜壓軸承內孔側壁上，在恒壓供油的情況下，使法蘭13內圓偏離靜壓向心軸承9外圓一個油膜厚度;磁柵的固定尺19固定在工作臺外圓周凹槽面上，磁柵讀數頭21通過螺釘固定在底座上，有磁柵的固定尺19和讀數頭21組成磁柵測量系統，并通過它們的反饋的信息直接控制力矩電機，從而形成一個閉環測量控制系統;防護罩18可以通過鉚釘17固定在工作臺外圓周面 上，可以對磁柵測量系統起保護作用。

圖1 大型直驅靜壓轉臺的結構剖面視圖及磁柵安裝位置Ⅰ處的局部放大圖

5 結束語

通過以上對大型精密轉臺關鍵技術的分析，最終選取力矩電機作為驅動方式、閉環靜壓導軌作為承載形式、靜壓向心軸承作為工作臺中心軸的支承方式、磁柵尺作為旋轉角度的檢測手段 (磁柵尺反饋的信息直接控制工作臺的分度與定位)，設計了一臺大型直驅靜壓轉臺，此轉臺與傳統的機床轉臺相比有大量優點，可廣泛應用于大型滾齒機、立車、加工中心等數控機床。

［1］王紅旭，魏巍.直接驅動技術的發展及其應用前景［J］.制造技術與機床，2008(6):150－154.

［2］孫宜標，金石，王成元，等.數控轉臺回轉送進系統動態伺服剛度的H∞魯棒控制［J］.組合機床與自動化加工技術，2007(8):64－67.

［3］路文忠，范長庚，潘高星，等.重型機床的轉臺導軌與軸承再制造方案［C］//2009第八屆全國數控設備使用、維修與改造經驗交流會論文集，2009:28－31.

［4］韓文淵.數控回轉工作臺［J］.裝備機械，2010(1):62－73.

［5］青海一機數控機床有限責任公司.一種大型銑車加工中心的靜壓直驅轉臺裝置:中國，CN201120477429.1［P］.2012－08－08.

［6］陳燕生.液體靜壓支承原理和設計［M］.北京:國防工業出版社，1980.

［7］浦昭邦，陶衛，張琢，等.角度測量的光學方法［J］.光學技術，2002，28(2):168－171.