基于力矩伺服電機的數控回轉臺原理及維修對策

徐緒浩

摘 要：數控回轉臺一般是由伺服電機通過渦輪蝸桿驅動工作臺，其結構簡單，但存在著反應慢，精度低、扭矩小的缺陷。隨著數控機床行業的高速發展，基于力矩伺服電機的數控回轉臺的應用越來越多，但其結構復雜，維修難度大等制約著大批用戶。文章從力矩伺服電機的數控回轉臺工作原理及結構入手，對出現的故障進行分析并給出了維修對策。

關鍵詞：力矩伺服電機；數控回轉臺；原理及維修

1 概述

隨著我國工業的高速發展和國防建設的需要，高精度、多軸聯動的數控機床在各種加工行業中越來越普及，占有率越來越高。這種數控機床由繞直線軸X、Y、Z旋轉運動的旋轉軸和直線軸一起構成多軸聯動的加工中心，可以加工出各種復雜的零件。普通的旋轉軸一般都是由伺服電機、渦輪蝸桿減速機構、定位鎖死系統等構成，共有兩種基本類別：一種是工作臺回轉軸，另一種則是依靠主軸頭回轉。本文只討論工作臺回轉軸。

2 普通數控回轉臺的基本結構

工作臺回轉軸也叫數控回轉臺，早期的數控回轉臺主要由伺服電機通過減速齒輪及蝸輪蝸桿帶動工作臺回轉，工作臺的回轉位置用編碼器測量。測量結果發出反饋信號與數控裝置發出的指令信號比較，若有偏差經放大器控制交流伺服電機朝消除偏差方向轉動，使工作臺精確運動或定位。當工作臺靜止時，必須處于鎖緊狀態。工作臺面的鎖緊用液壓缸來完成，當控制系統發出夾緊指令時，液壓缸上腔進油，活塞下移，帶動夾緊裝置，從而把蝸輪夾緊。當工作臺回轉時，控制系統發出指令，液壓缸上腔的壓力油回油箱，在彈簧的作用下，夾緊裝置松開，不再夾緊蝸輪。然后按數控系統的指令，由交流伺服電機，通過傳動裝置實現工作臺的分度轉位、定位、夾緊或連續回轉運動。

3 基于力矩伺服電機數控回轉臺的基本結構和功能

力矩電機類似于直線電機，是一種基于同步驅動技術的直接驅動器。它由定子、轉子、水冷卻系統等組成。轉子為一鑲有永久磁鐵的鋼環，為了防止腐蝕，其上鍍有鎳合金。定子由鋁合金制成，上面繞有密實的多極線圈。水冷卻通道直接加工在定子體上，通過循環水帶走電機運轉產生的熱量。

基于力矩伺服電機的數控回轉臺的基本結構如圖1。

這種由力矩電機構成的回轉工作臺具有如下特點：電機轉子直接構成旋轉工作臺面，定子構成旋轉工作臺基座，消除了如齒輪傳動系等產生的間隙誤差，屬“零傳動”進給驅動，因而能得到高的動態性能和定位精度，也無需機械維護，結構緊湊。

機床通電后，回轉臺不轉動時通過液壓鎖緊。液壓油通過液壓油孔進入橡膠膨脹圈擠壓彈性銅脹圈，使其抱緊力矩伺服電機轉子。需要旋轉回轉臺時，液壓油泄壓，彈性銅脹圈復位，定子線圈上電，回轉臺即可自由旋轉。

4 故障分析及維修過程

機床上電后，數控系統出現“回轉臺液壓鎖緊錯誤”報警信息，該數控回轉臺在不旋轉的狀態下，系統施加一個9MPa液壓壓力，鎖緊回轉臺。通過檢查發現，檢測該壓力的傳感器沒有壓力信號。打開回轉臺側面維修窗，發現回轉臺底部有液壓油溢出，故判斷數控回轉臺O型圈或者橡膠膨脹圈有損壞現象，需要分解數控回轉臺。

4.1 回轉臺的分解

首先拆下固定編碼器外環的安裝座，抽出編碼器信號電纜。然后打開旋轉臺臺面觀察孔，轉動工作臺，通過觀察孔依次拆下20個M12的內六角螺釘和兩個定位銷，這樣工作臺臺面也就是回轉臺的轉子連同軸承以及軸承安裝座、液壓鎖緊裝置以及編碼器一起可以從回轉臺的本體中吊出來。在起吊過程中，由于轉子磁鋼片屬于強磁體，很容易吸附在定子上，造成磁鋼片和定子的損壞，所以在起吊之前，找一個外圓40mm的檢驗棒插入定位孔中，就很容易安全的吊出轉子。

4.2 故障原因分析

轉子和定子分離后，就能看到轉子上的液壓鎖緊系統，把拆下的轉子頂面朝下放置，拆下鎖緊液壓橡膠膨脹圈，發現在這個橡膠膨脹圈上有2個裂紋，液壓油就是從這里泄露出來的。造成這個橡膠膨脹圈產生裂紋的原因是：在這個橡膠圈和彈性銅套之間有一個抗壓硬塑料圈，其接頭不是重合的，有一段大約20mm的間隙，且接頭邊緣上有尖邊，每次液壓鎖緊時，塑料圈接頭就會擠壓橡膠膨脹圈，經過長時間多次擠壓以及橡膠圈的老化，膨脹圈在該處就產生裂紋，造成液壓油泄露從而鎖緊壓力繼電器報警。

4.3 處理方法

把抗壓硬塑料圈接頭的尖邊修成圓弧形，更換新的橡膠膨脹圈以及O型圈，然后把液壓鎖緊裝置裝回到軸承支承座上，同時調整好彈性銅套和轉子之間的間隙。

4.4 數控回轉臺的安裝

在安裝之前，檢查工作臺本體上的O型圈，必要時更換，然后把直徑40mm的檢驗棒插入工作臺本體下面的定位孔中，轉子沿著檢驗棒慢慢落入工作臺本體，在下落到工作臺本體底部之前輕微轉動轉子，找到定位銷孔，插入定位銷，然后落實轉子并依次擰緊20個M12的螺釘。在安裝完所有機械零部件后，接著就需要調整編碼器外環和轉子的相對位置，因為為了得到最佳的電機出力效果，即讓力矩伺服電機的定子繞組產生的磁場始終正交于轉子永磁場，達到矢量控制的目標，所以必須確定編碼器外環（電機定子）和里環（電機轉子）的相對位置。步驟如下：首先把電機定子繞組U相接到一個電流小于電機額定電流的直流電源正極，VW相并聯接入直流電源的負極，電機轉子會轉到一個平衡位置，此時用示波器觀察編碼器的Z信號，慢慢轉動編碼器的外環，當編碼器的Z信號由低電平跳到高電平的時候，鎖緊編碼器外環安裝座，編碼器調零完成。在完成編碼器調零工作后，接著連接編碼器電纜和電機定子繞組接線以及數控回轉臺外部油管及冷卻水管，上電啟動機床，操作數控回轉臺，液壓鎖緊正常。

5 結束語

基于力矩伺服電機的數控回轉臺在進口數控設備上應用較多，國產數控設備很少使用。由于各種原因，機床廠家很少提供這方面的資料，本文所介紹的力矩數控回轉臺的基本結構和維修實例，是本人在實際工作中親身經歷的，希望對我國機床行業的發展以及用戶有所幫助。