分度轉臺的技術現狀分析與亟待解決的技術難題

武漢智德立精工制造技術有限公司　王學新

分度轉臺的技術現狀分析與亟待解決的技術難題

武漢智德立精工制造技術有限公司王學新

分度轉臺、數控分度回轉臺、轉矩電機、氣動、氣浮轉臺、液壓轉臺作為機床的重要部件，是確保機床加工各種精密零件的核心裝備之一，廣泛應用于各種機械零件的加工。隨著社會的進步，技術的發展以及高端裝備制造新的市場需求，對機械零件的加工精度要求越來越高。現在轉臺技術領域最大的困惑就是轉臺的分度精度、同心度、平面度等各項精度怎樣滿足高精度機械零件的加工要求。這個問題也成為當前轉臺領域的技術難題。世界各國該領域的工程技術專家，思考設計了很多解決方案，但精度提高的效果均不盡人意。

如何解決轉臺的超高精度分度和精準定位，同時又能滿足精密機械零件在加工過程中確保轉臺不會產生角度位移和平面度、同心度誤差，成為目前轉臺領域的世界性技術攻關難題。本文中，作者首先對目前全球各種轉臺在高精度分度和精準定位上的優缺點進行相關技術分析，而后在此基礎上提出了自己的解決方案，供業內同仁參考。

一、蝸輪蝸桿傳動轉臺分析

我們先從常規應用中最為廣泛的蝸輪蝸桿傳動轉臺進行分析：

（1）目前最常用的轉臺其內部傳動方式為蝸輪蝸桿傳動。由于蝸輪和蝸桿的傳動接觸面為滑動摩擦，因此摩擦阻力大、傳動效率低。由于蝸輪材質較軟而蝸桿材質硬度大，所以蝸輪極易磨損，從而導致分度誤差越來越大，再加上蝸輪齒的等分度誤差（也就是公法線誤差），導致分度誤差，所以該型結構傳動的轉臺分度精度不高。

另外，由于蝸輪和蝸桿只能嚙合2.5～3個齒，且不能使蝸桿螺旋面的兩面與蝸輪齒的兩面同時緊密嚙合，所以輸出轉矩不大，而且反向間隙過大的問題無法解決。所以容易導致該型轉臺在加工零件時產生較大的角度偏擺。為了有效控制加工零件時的角度偏擺，人們想到了用氣動和油壓剎車鎖緊輸出端的工作臺，來克服加工零件時的刀具切削力，控制角度偏擺的產生。但在剎車鎖緊時，由于轉臺本身的反向間隙大，且輸出轉矩小，所以剎車鎖緊固然能增大靜止轉矩抗衡加工零件時的切削阻力，但在剎車鎖緊時必然產生較大的角度位移，導致加工零件在定位時就已經產生了較大誤差。

按照這個技術線路，人們試圖通過包絡蝸桿，蝸桿螺旋逐漸增厚（也就是變位蝸桿），或蝸桿徑向偏心可調等來克服蝸輪磨損后的精度丟失，但結果仍然無法解決超高精密分度的問題。而且由于蝸輪和蝸桿材料的不同，其熱脹系數的差異，引發長期使用導致的溫度升高，從而使其分度精度也大大降低。

（2）為了解決以上蝸輪蝸桿傳動轉臺的先天技術不足問題，人們想到了通過鼠牙齒嚙合的技術方案。其原理是通過將鼠牙齒圈固定在轉臺工作臺底面，另一齒圈固定在轉臺箱體上通過蝸輪蝸桿帶動抬起的工作臺旋轉分度，然后落下與固定在箱體上的齒圈進行上下齒圈嚙合。這種結構的轉臺，其分度精度和重復精度都很高，也有足夠的靜止轉矩抗衡加工刀具的切削阻力。但其最小分度只能是整數，且在工作臺通過液壓頂升，再旋轉分度再落下的過程中，會產生工作臺平面和中心軸軸心誤差的技術問題，從而使裝夾在工作臺上的零件的基準面和軸心不能達到其精度要求。特別是多面箱體要求面與面上的孔的同心度要求高時，該型轉臺不能滿足其精度要求。再就是該型轉臺在工作臺頂升抬起，再旋轉分度再落下嚙合上下齒圈時，由于工作臺再旋轉分度時所產生的分度誤差，會導致上下齒圈嚙合時的對齒偏離，此時工作臺和上齒圈一起落下時，上齒圈和下齒圈會產生強行嚙合、強行摩擦，而齒面磨損導致其分度精度和重復精度降低。

該型工作臺的優點是分度精度高，且有足夠的靜止轉矩克服加工時刀具的切削阻力，缺點是不能滿足任意分度的要求，在分度過程中不能有效保證工作臺基準面和主軸的同心度。

（3）通過對以上兩種形式的轉臺分度精度和定位精度的分析，我們可以看到其滿足高精度零件的加工要求上存在先天不足。光學專家和數控專家想到了利用光柵閉環和計算機數字化處理來滿足轉臺任意分度精度的技術問題。其實施方式無外兩種：一種是在常規蝸輪蝸桿傳動機構的轉臺。輸出主軸上加裝圓形光刪，通過計算機系統來實施高精度分度；另一種是通過在力矩電機主軸上安裝圓形光柵，通過閉環反饋位置信號給計算機系統，達到精準分度和定位。雖然這兩種形式的解決方案都可達到分度和定位精度的超精準，但這兩種形式的解決方案仍然存在分度和重復定位精準后怎樣克服剎車鎖緊時，其精度不發生改變的技術問題。由于其輸出轉矩小，為克服刀具切削和振動阻力就必須通過分度和定位后氣壓或液壓剎車來鎖緊工作臺或主軸，但在鎖緊時就會產生角度偏擺，從而使原本通過光柵閉環系統得來的精度發生變化，所以實際上還是降低了其精度。

另外，光柵的安裝和使用對轉臺本身的裝配精度和使用環境要求非常高。例如轉臺在工作過程中自身會產生溫升，停機時溫度會下降，在溫度下降的過程中空氣中的水份就會帶著灰塵逐漸冷凝在圓形光柵上，從而使圓形光柵閉環的反饋信息產生較大的不確定性，給系統分度和重復定位帶來更大的誤差，最重要的是其精度丟失不可預見。那么，有圓形光柵閉環系統的轉矩電機情況會怎么樣呢？雖然轉矩電機沒有機械傳動部分，但其輸出的轉矩更小，更要通過剎車鎖緊來滿足加工零件所需力矩要求，同樣會產生鎖緊后角度偏差和光柵受冷凝水霧的影響，使其各項精度降低。

因此，用以上兩種方案同樣不能滿足高精密零件的加工要求。要害問題就是光柵受到污染后，其反饋的位置信息的錯誤信號不可預見，這就會使加工零件的報廢率高。

要解決目前轉臺高精度分度和定位的技術難題，我們認為必須首先從機械傳動上找到突破口，并結合數控伺服系統才能解決當前的困擾。第一，必須解決機械傳動部分的磨損問題。第二，機械傳動部分必須滿足強大的輸出轉矩，使其足以抗衡其加工零部件時的刀具切削和振動，保證工作臺不產生角度和平面及同心度的變動。第三，機械傳動部分的反向間隙必須盡可能小，最好是零反向間隙。第四，傳動機構的嚙合精度誤差達0.003mm-0.005mm內。通過長期大量的實踐證明，轉臺只有有效解決這些機械的技術難題，再配合伺服數控系統，才能既實現轉臺分度精度和重復定位精度超精密的要求，又能滿足高精密零件的加工需求。否則轉臺精度再高也只能用于檢測，而不能應用在實際的高精密加工中。

下面簡要介紹作者所在公司是如何解決這些相關技術難題的。我們的解決方案是：一種空間共軌傳動技術及其傳動裝置的創新發明。

二、Wg系列回轉臺原理簡介

Wg系列回轉臺采用兩級傳動，總傳動比為1∶180，其傳動機構為有別于傳統蝸輪蝸桿的新型蝸輪蝸桿傳動件（如圖1所示）。新型蝸輪蝸桿傳動機構運用軌道共軛原理，蝸桿軌道與蝸輪上傳動銷運動軌跡共軛，實現蝸桿軌道槽面與蝸輪傳動銷線-線接觸，兩傳動部件之間作用為滾動摩擦。

除了采用全新傳動機構外，Wg系列回轉臺運用了自主設計的預緊處理，以消除傳動過程中存在的極小間隙。如圖2所示，對兩根一級（以傳動等級命名）新型蝸桿分別施加不同方向的旋轉力矩，通過一級新型蝸輪的傳遞，使得作為一級新型蝸輪主軸的螺旋軌道呈軸對稱的兩根二級新型蝸桿旋轉，旋轉方向相反。在兩根二級新型蝸桿同時不同向旋轉時，蝸桿軌道槽面會與二級新型凸輪傳動銷緊密接觸，實現無間隙線-線接觸滾動摩擦傳動。預緊處理之后，傳動部件之間已無間隙，鎖緊剛性聯軸器，回轉臺即可使用。

圖1　新型蝸輪蝸桿傳動件示意圖

圖2　Wg系列回轉臺內部傳動結構示意圖

三、Wg系列回轉臺技術優勢論證

由于Wg系列回轉臺采用獨特的傳動機構、創新式的結構設計和預緊處理，其相較于傳統蝸輪蝸桿回轉臺，具有以下幾大優勢：

（1）Wg系列回轉臺采用線-線接觸的新型蝸輪蝸桿傳動機構，通過二級傳動，實現足夠大的轉矩平穩輸出和靜止轉矩，使其足以克服零件加工時的切削力和振動力對工作臺的角度和平面偏擺位移，從而保證零件的加工定位精準。由于新型蝸輪蝸桿傳動機構為滾動摩擦，相較于傳統傳動機構的滑動摩擦，摩擦力可以小到忽略不計，因此其能耗極低，箱內油溫升幅小，噪音小，轉臺效率高。

（2）Wg系列回轉臺不僅采用全新蝸輪蝸桿傳動機構，摩擦為滾動摩擦，而且各配合傳動部件采用相同材料，經過表面滲氮處理，受力處硬度一致，這樣在很大程度上減少了摩擦帶來的損耗，在大幅提高回轉臺使用壽命的同時，至少能保證回轉臺兩年以上精度質量。

（3）Wg系列回轉臺采用獨特的傳動機構，創新式的結構設計，并通過自主設計的預緊方式處理之后，其最大性能優勢為其超高精度。回轉臺采用了兩級精確傳動，預緊處理消除了傳動過程中接觸處存在的間隙，其重復定位精度≤2″，回程誤差達到2″，一級產品分度誤差2″。本公司三級精度產品已通過湖北省計量測試技術研究院精度質量認證。

（4）Wg系列回轉臺運用217絕對值編碼器伺服電機作為動力輸入。由于其傳動比高，摩擦損失極小，蝸桿槽壁厚度大且同時與多個傳動銷深度嚙合，因而Wg系列回轉臺相較于同類型產品，其輸出轉矩大，在零件精加工時完全不用剎車鎖緊，承載力達到8噸（已通過試驗證實）。

四、結語

以上技術解決方案所制造的Wg系列轉臺，不僅有效解決了轉臺領域的各項技術難題，且通過三年的長期使用驗證，其各項精度保持基本不變，能充分滿足大工件精密加工的需求。但其結構復雜、生產工藝難度大、成本高，制造小型號的轉臺難度大，是其不足之處。

本公司wg系列轉臺所標注的精度為純機械精度，如果通過系通補償則結果依次為；正負7秒的通過系通補償可達正負3.5秒；正負5秒的通過系統補償可達正負2.5秒；正負4秒和正負3秒的通過系統補償都可達正負1.5秒。□