數(shù)控轉(zhuǎn)臺核心技術(shù)研究*

□ 柳耀陽

沈陽機床（集團）有限責任公司 沈陽 110142

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺為數(shù)控機床和加工中心提供旋轉(zhuǎn)運動，一是進給分度，即在非切削時，工件在360°范圍內(nèi)進行分度旋轉(zhuǎn)或任意分度定位；二是實現(xiàn)工作臺圓周方向的進給運動，即在進行切削時，與三個坐標軸聯(lián)動，進行復雜曲面的加工，細分度數(shù)一般為0．001°。無論使用哪種類型的數(shù)控轉(zhuǎn)臺，機床精度都離不開轉(zhuǎn)臺本身的定位精度，精確定位的數(shù)控轉(zhuǎn)臺能顯著提高轉(zhuǎn)臺的使用性能。

1 數(shù)控轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

為保證數(shù)控轉(zhuǎn)臺的定位及連續(xù)回轉(zhuǎn)加工，提高數(shù)控轉(zhuǎn)臺定位精度，要求數(shù)控轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)采用合理的支撐結(jié)構(gòu)、傳動機構(gòu)和夾緊機構(gòu)。數(shù)控轉(zhuǎn)臺優(yōu)化設計中最先考慮數(shù)控轉(zhuǎn)臺最大工件承載質(zhì)量、最高旋轉(zhuǎn)速度和定位精度。

數(shù)控轉(zhuǎn)臺需要提供軸向及徑向支撐，形式主要為滑動支撐與滾動支撐。滾動支撐主要選擇滾動軸承，適合于小規(guī)格數(shù)控轉(zhuǎn)臺；大中型數(shù)控轉(zhuǎn)臺適合選用滑動支撐和滾動支撐組合機構(gòu)。數(shù)控轉(zhuǎn)臺滾動支撐主要形式為雙向推力組合軸承及交叉滾子軸承，雙向推力組合軸承具有較高的極限轉(zhuǎn)速和較低的摩擦力矩，軸向和徑向承載能力高，具備高傾斜剛度和極高的精度；交叉滾子軸承優(yōu)點是壁厚薄，結(jié)構(gòu)緊湊，因此采用交叉滾子軸承數(shù)控轉(zhuǎn)臺需充分考慮支撐座及固定法蘭的剛性。

數(shù)控轉(zhuǎn)臺機械傳動設計主要為減速傳動優(yōu)化設計，數(shù)控轉(zhuǎn)臺應用最廣泛的傳動為蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)、圓柱凸輪傳動機構(gòu)、端齒盤傳動機構(gòu)。蝸輪蝸桿傳動（如圖1所示）具有的特點是傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊；傳動平穩(wěn)，沖擊載荷小，噪聲低；自鎖性好；傳動效率較低，磨損較嚴重；使用材料要求有較好的減磨性，價格高；蝸輪軸向力大，致使軸承摩擦損失較大。在要求數(shù)控轉(zhuǎn)臺連續(xù)精確分度的機構(gòu)中，或為了避免傳動機構(gòu)因承受脈動載荷而引起扭轉(zhuǎn)振動的場合，往往采用變導程蝸桿，以便調(diào)整嚙合側(cè)隙到最小限度。變導程蝸輪蝸桿副的應用可以有效延長數(shù)控轉(zhuǎn)臺的使用壽命，便于安裝、調(diào)試和維護，其特點是蝸桿的齒部采用齒距連續(xù)變化，而蝸輪的齒部則采用等齒距的設計，這樣，蝸輪蝸桿副的輪齒因工作磨損而產(chǎn)生較大的嚙合間隙時，可以通過修磨調(diào)整墊來重新尋找到一個合適的齒距進行配合，能有效延長數(shù)控轉(zhuǎn)臺的使用壽命。

▲圖1 數(shù)控轉(zhuǎn)臺蝸輪蝸桿傳動原理圖

圓柱凸輪驅(qū)動原理與圓柱蝸桿傳動原理基本相同，數(shù)控轉(zhuǎn)臺輸入軸類似于具有變螺旋角的面蝸桿，數(shù)控轉(zhuǎn)臺輸出軸相當于具有滾子齒的蝸輪。圓柱凸輪傳動如圖2所示，與蝸輪蝸桿機構(gòu)相比，凸輪機構(gòu)需要預壓，制造成本高，工藝復雜，加工難度大，但是數(shù)控轉(zhuǎn)臺圓柱凸輪驅(qū)動在無背隙、效率高、精度高、發(fā)熱少、高剛度、高耐久性等方面具有明顯優(yōu)勢。

▲圖2 數(shù)控轉(zhuǎn)臺圓柱凸輪驅(qū)動原理圖

▲圖3 數(shù)控轉(zhuǎn)臺端齒盤傳動原理圖

▲圖4 數(shù)控轉(zhuǎn)臺端面接觸式碟片式夾緊原理圖

▲圖5 數(shù)控轉(zhuǎn)臺脹套式夾緊原理圖

▲圖6 圓柱凸輪裝置的裝配原理圖

相對于蝸輪蝸桿傳動及圓柱凸輪傳動，數(shù)控轉(zhuǎn)臺端齒盤傳動 （如圖3所示）具有軸向及徑向占用空間小、互換性好、裝配容易、減速比高的優(yōu)點，可以實現(xiàn)大扭矩的傳遞。但是，數(shù)控轉(zhuǎn)臺端齒盤輸入軸需要提供足夠大的軸向預緊力，以抵抗齒輪副分離，齒輪副應具有較高接觸抗力［1］。

夾緊技術(shù)是數(shù)控轉(zhuǎn)臺的關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)控轉(zhuǎn)臺夾緊是數(shù)控轉(zhuǎn)臺保證定位精度的關(guān)鍵，會影響數(shù)控轉(zhuǎn)臺定位后的準確性。如何對數(shù)控轉(zhuǎn)臺設計和施加夾緊力，保證數(shù)控轉(zhuǎn)臺在夾緊過程中減小竄動，成為保證數(shù)控轉(zhuǎn)臺高精度的關(guān)鍵。目前數(shù)控轉(zhuǎn)臺的夾緊主要有氣壓與液壓兩種方式，氣壓結(jié)構(gòu)比較固定，液壓結(jié)構(gòu)變化比較多，應用比較靈活，更多的被數(shù)控轉(zhuǎn)臺廠家采用。液壓夾緊主要為端面接觸碟片式（如圖4所示）與環(huán)型脹套式（如圖5所示）兩種結(jié)構(gòu)，碟片式抱閘是通過活塞推動剎車片，剎車片與數(shù)控轉(zhuǎn)臺底座產(chǎn)生摩擦力，使與剎車片連接的旋轉(zhuǎn)座停止轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)數(shù)控轉(zhuǎn)臺夾緊。碟片式夾緊機構(gòu)只能提供有限的夾緊力，但是可以增加碟片數(shù)量來增加夾緊力。在一些重載、大扭矩的加工中，普遍采用脹套夾緊形式。

2 數(shù)控轉(zhuǎn)臺裝配技術(shù)

數(shù)控轉(zhuǎn)臺裝配技術(shù)是數(shù)控轉(zhuǎn)臺設計過程的延續(xù)，結(jié)構(gòu)設計過程中應該研究不同結(jié)構(gòu)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺裝配技術(shù)特點［2］。圖6所示的數(shù)控轉(zhuǎn)臺圓柱凸輪裝置，其裝配技術(shù)與蝸輪蝸桿、端齒盤等其它減速裝置不同。數(shù)控轉(zhuǎn)臺圓柱凸輪裝配時要先將輸出軸裝入箱體中，同時將部分圓柱滾子拆去，裝入輸入軸即凸輪軸，此時輸入凸輪軸與輸出凸輪軸并沒有通過滾子進行嚙合，支撐端需要增加偏心軸承套，不斷調(diào)整輸入軸前后支撐端位置，先增大輸入軸前齒面與滾子的嚙合角度，使輸入軸與輸出軸滾子逐漸嚙合，所有滾子都進入嚙合區(qū)域后，再調(diào)整輸入軸兩端軸孔的同軸度，使兩端偏心軸承座的偏心方向一致，最后將剩余圓柱滾子裝入輸出軸。

圓柱滾子通過螺栓與輸出軸進行連接，搖動輸入軸，在凸輪輸入軸與分度凸輪滾子嚙合處通過涂朱砂檢驗，同時需要測定輸入軸的最大滾動摩擦阻力，如圖7所示。

變導程蝸輪蝸桿左右齒面導程不相同，圖8是蝸桿齒厚不斷增大的變導程蝸輪蝸桿。當使用過程中因磨損造成齒面嚙合間隙增加時，需要配磨調(diào)整墊使蝸桿向左移動相應距離，消除由于蝸輪蝸桿嚙合側(cè)隙而產(chǎn)生的數(shù)控轉(zhuǎn)臺反向間隙。

3 數(shù)控轉(zhuǎn)臺試驗檢測技術(shù)

數(shù)控轉(zhuǎn)臺試驗檢測技術(shù)是數(shù)控轉(zhuǎn)臺核心技術(shù)之一，相比國外主要數(shù)控轉(zhuǎn)臺廠家，國內(nèi)數(shù)控轉(zhuǎn)臺廠家在檢測技術(shù)上研究不深。數(shù)控轉(zhuǎn)臺在加工過程中的精度保持性是衡量數(shù)控轉(zhuǎn)臺好壞的關(guān)鍵，在檢測過程中，必須不斷模擬數(shù)控轉(zhuǎn)臺在不同負荷和加工工況下產(chǎn)生的變化量。圖9所示是臺面規(guī)格500mm×500mm的數(shù)控轉(zhuǎn)臺進行允許荷重試驗圖，應在圖中標示的8個位置進行臺面承載600kg試驗，測試臺面最大變形量不應超過允許值（0．02mm）。圖10為通過加載試驗裝置，定量測試數(shù)控轉(zhuǎn)臺在承受軸向力、徑向力時其臺面的變化量。

▲圖7 輸入軸齒面與滾子的嚙合區(qū)域

▲圖8 變導程蝸輪蝸桿裝配原理圖

▲圖9 數(shù)控轉(zhuǎn)臺允許荷重試驗

▲圖10數(shù)控轉(zhuǎn)臺加載試驗

4 總結(jié)

數(shù)控轉(zhuǎn)臺作為四軸、五軸聯(lián)動加工中心的主要功能部件，在整個機床部件中的作用越來越重要。數(shù)控轉(zhuǎn)臺產(chǎn)品的性能、精度、產(chǎn)品質(zhì)量、制造成本、供貨周期，對數(shù)控機床產(chǎn)生直接影響，并對數(shù)控轉(zhuǎn)臺功能部件研究開發(fā)具有關(guān)鍵意義。對數(shù)控轉(zhuǎn)臺共性技術(shù)的研究，可以概括為數(shù)控轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計技術(shù)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)配技術(shù)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺試驗檢測技術(shù)。

［1］ 王明海,鄧效忠．數(shù)控機床中消除蝸輪副側(cè)隙的幾種結(jié)構(gòu)［J］．機械工程師，2009（7）：55-56．

［2］ 柳耀陽，李焱．分度凸輪在數(shù)控轉(zhuǎn)臺中的應用［J］．機械制造，2012（1）:60-61．