數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺及關(guān)鍵技術(shù)

劉偉

（沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 刀架事業(yè)部，沈陽110142）

0 引言

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺是立式加工中心、臥式加工中心、立式車銑復(fù)合加工中心等數(shù)控機(jī)床的核心功能部件。按照傳動機(jī)構(gòu)的不同，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺可以分為機(jī)械式回轉(zhuǎn)工作臺和電動機(jī)直驅(qū)式回轉(zhuǎn)工作臺。機(jī)械式回轉(zhuǎn)工作臺由齒輪、蝸輪蝸桿等機(jī)構(gòu)驅(qū)動工作臺轉(zhuǎn)動，電動機(jī)直驅(qū)式回轉(zhuǎn)工作臺采用力矩電動機(jī)直接驅(qū)動工作臺轉(zhuǎn)動。按照數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的驅(qū)動軸個(gè)數(shù)不同，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺可以分為單軸回轉(zhuǎn)工作臺和雙軸回轉(zhuǎn)工作臺。按照數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的安裝形式的不同，可分為立式安裝回轉(zhuǎn)工作臺和臥式安裝回轉(zhuǎn)工作臺。按照工作臺回轉(zhuǎn)角度的不同，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺可分為分度工作臺和聯(lián)動工作臺，分度工作臺在圓周范圍內(nèi)按指定分度角度旋轉(zhuǎn)定位，聯(lián)動工作臺可沿圓周方向連續(xù)進(jìn)給運(yùn)動，與其他直線進(jìn)給軸聯(lián)動進(jìn)行復(fù)雜曲面的加工。

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的主要技術(shù)指標(biāo)為載荷指標(biāo)、精度指標(biāo)、速度指標(biāo)。為保證數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的精度和承受負(fù)載的能力，要求數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺采用合理的支撐結(jié)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)和剎車結(jié)構(gòu)。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的精度指標(biāo)主要包括工作臺平面度、工作臺對底面的平行度及工作臺面的端面跳動等。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的載荷指標(biāo)主要包括軸向載荷、徑向載荷、彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷等。

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的傳動機(jī)構(gòu)主要有蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)及滾子凸輪、球驅(qū)動等類蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、力矩電動機(jī)直驅(qū)機(jī)構(gòu)。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)及滾子凸輪、球驅(qū)動等類蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種中低速和中高載荷回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計(jì)制造；齒輪機(jī)構(gòu)主要用于低轉(zhuǎn)速、高載荷的大型回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計(jì)制造；力矩電動機(jī)直驅(qū)主要應(yīng)用于高轉(zhuǎn)速、低載荷的中小型回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計(jì)制造。

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺常用的剎車結(jié)構(gòu)有鼠牙盤式剎車結(jié)構(gòu)、徑向環(huán)抱式剎車裝置、軸向摩擦片式剎車結(jié)構(gòu)。鼠牙盤式剎車結(jié)構(gòu)精度高、剎車轉(zhuǎn)矩大，但僅限于固定齒數(shù)的角度分度，不能應(yīng)用于任意角度分度的回轉(zhuǎn)工作臺。徑向環(huán)抱式剎車裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件加工難度高、抱剎力作用半徑小、生產(chǎn)成本高，一般由專業(yè)的外購件生產(chǎn)廠商提供。軸向摩擦片式剎車結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、剎車轉(zhuǎn)矩大，可應(yīng)用于任意角度分度的回轉(zhuǎn)工作臺等特點(diǎn)，近年來廣泛應(yīng)用于數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計(jì)制造[1-3]。

本文研究數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺在配套機(jī)床整機(jī)和加工零件領(lǐng)域的典型應(yīng)用，研究回轉(zhuǎn)工作臺載荷、精度、速度等主要技術(shù)指標(biāo)，研究數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的傳動機(jī)構(gòu)、支撐軸承、抱閘機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)。

1 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的應(yīng)用

1.1 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺在機(jī)床上的應(yīng)用

圖1所示為典型數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺和配套主機(jī)，以及加工零件關(guān)系示意圖。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的主要配套機(jī)床主機(jī)有立式加工中心、臥式加工中心、立式車銑復(fù)合加工中心[4-6]。立式加工中心按照搭配數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的不同可分別構(gòu)成3軸立式加工中心、3+1軸立式加工中心、4軸聯(lián)動立式加工中心、3+2軸立式加工中心。

圖1 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺在機(jī)床整機(jī)及加工零件應(yīng)用

3軸立式加工中心不搭配數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，適合模具、3C產(chǎn)品零部件的加工；3+1軸立式加工中心，搭配單軸轉(zhuǎn)臺，實(shí)現(xiàn)零件三面的集成加工，適合液壓閥體、泵體、汽車發(fā)動機(jī)缸體的加工；4軸聯(lián)動立式加工中心，搭配單軸轉(zhuǎn)臺和尾臺，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體多面加工，適合葉片等零件的加工；3+2軸立式加工中心，搭配搖籃式雙軸轉(zhuǎn)臺，實(shí)現(xiàn)5軸5面的定位加工，適合風(fēng)機(jī)葉輪、多面體箱體和殼體的加工。

臥式加工中心搭配大型轉(zhuǎn)臺，適用于工程機(jī)械、能源、船舶、軌道交通、航空航天等行業(yè)的機(jī)車轉(zhuǎn)向架、汽車模具、風(fēng)電行星架、發(fā)動機(jī)部件等精密零部件的加工。立式車銑復(fù)合加工中心，搭配大型轉(zhuǎn)臺，主要用于航空航天、軍工、風(fēng)電、軌道交通、通用機(jī)械等加工行業(yè)的盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)體、火車輪、工程機(jī)械軸承、風(fēng)機(jī)軸承架等復(fù)雜大型盤類零件的加工。

1.2 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的主要技術(shù)指標(biāo)

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的主要技術(shù)指標(biāo)為載荷指標(biāo)、精度指標(biāo)、速度指標(biāo)。

圖2所示為數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的典型工況及載荷。切削加工時(shí)，切削載荷可分解為平行于轉(zhuǎn)臺軸線的軸向載荷Fa、垂直于轉(zhuǎn)臺軸向方向的徑向載荷Fr、繞轉(zhuǎn)臺軸線旋轉(zhuǎn)的扭轉(zhuǎn)載荷T、引起轉(zhuǎn)臺軸線撓曲變形的彎曲載荷M。

圖2 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的載荷

表1 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的精度指標(biāo)

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的精度指標(biāo)主要包括工作臺面的平面度、工作臺面對底平面的平行度、工作臺面的端面跳動、中心定位孔的徑向跳動、工作臺面垂直時(shí)對底面的垂直度、主軸回轉(zhuǎn)中心線對底座側(cè)面的平行度、主軸回轉(zhuǎn)中心線對定位鍵側(cè)面的平行度、工作臺的分度精度、工作臺的重復(fù)分度精度。

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的速度指標(biāo)主要為工作臺的轉(zhuǎn)動速度，由驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)速和傳動機(jī)構(gòu)的傳動比決定。其中機(jī)械式回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)速一般較低，電動機(jī)直驅(qū)式回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)速一般較高。

2 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)

2.1 單軸回轉(zhuǎn)工作臺

圖3所示為典型的單軸數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)示意圖。轉(zhuǎn)臺臺面支撐在轉(zhuǎn)臺軸承上，剎車片用于抱死并制動轉(zhuǎn)臺臺面，密封結(jié)構(gòu)起轉(zhuǎn)臺內(nèi)部機(jī)構(gòu)密封保護(hù)作用[7-10]。其中機(jī)械式回轉(zhuǎn)工作臺（如圖3左側(cè)視圖）利用蝸桿蝸輪、齒輪等機(jī)械機(jī)構(gòu)傳動；力矩電動機(jī)直驅(qū)式回轉(zhuǎn)工作臺（如圖3右側(cè)視圖）利用直驅(qū)電動機(jī)直接驅(qū)動。機(jī)械式回轉(zhuǎn)工作臺編碼器安裝在伺服電動機(jī)上，采用半閉環(huán)控制，一般精度可達(dá)15″。力矩電動機(jī)直驅(qū)式回轉(zhuǎn)工作臺的編碼器安裝在轉(zhuǎn)臺驅(qū)動軸上，為閉環(huán)控制，精度可達(dá)±（2.5″～5.0″）。

圖3 單軸數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)

2.2 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺

圖4 雙軸數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)

圖4所示為典型的雙軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)示意圖，轉(zhuǎn)臺由兩個(gè)相互垂直的旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。而兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸分別由各自的傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動控制。

雙軸轉(zhuǎn)臺由轉(zhuǎn)臺臺面、臺面驅(qū)動機(jī)構(gòu)、搖擺臂驅(qū)動機(jī)構(gòu)、搖擺臂組成，整體外觀構(gòu)成一個(gè)搖籃形狀。搖擺臂和轉(zhuǎn)臺臺面分別由搖擺臂驅(qū)動機(jī)構(gòu)和臺面驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動。兩軸相互垂直并相互獨(dú)立轉(zhuǎn)動，為三軸機(jī)床提供聯(lián)動的第四、第五驅(qū)動軸。其中臺面驅(qū)動機(jī)構(gòu)和搖擺臂驅(qū)動機(jī)構(gòu)各自的工作原理與單軸回轉(zhuǎn)工作臺的工作原理相同。

3 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 傳動機(jī)構(gòu)

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺傳動機(jī)構(gòu)的主要形式為齒輪傳動、蝸輪蝸桿和類蝸輪蝸桿傳動、電動機(jī)直驅(qū)傳動。齒輪傳動機(jī)構(gòu)主要用于大型轉(zhuǎn)臺，具有良好的精度、高轉(zhuǎn)矩、良好的速度，通常采用雙電動機(jī)消隙驅(qū)動機(jī)構(gòu)。電動機(jī)直驅(qū)的結(jié)構(gòu)主要用于中高轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速、高定位精度、零反向間隙的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。蝸輪蝸桿和類蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)主要用于高精度、高轉(zhuǎn)矩、中低轉(zhuǎn)速的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺常見的蝸輪蝸桿和類蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)如表2和圖5所示。

表2 蝸輪蝸桿和類蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)

3.2 支撐軸承

圖5 蝸輪蝸桿和類蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)

適合數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺使用的軸承包括精密交叉滾子軸承、YRT型推力-向心軸承、ZKLDF型推力角接觸球軸承、靜壓軸承[11-14]。精密交叉滾子軸承僅適用于低轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩、較小尺寸的轉(zhuǎn)臺，靜壓軸承適用于大轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、較大尺寸的轉(zhuǎn)臺。最廣泛使用的軸承包括YRT系列推力-向心軸承和ZKLDF系列推力角接觸球軸承，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)臺軸承

YRT系列推力-向心軸承采用一組徑向滾子和兩組推力滾子的結(jié)構(gòu)，適用于高精度、高剛度、承受聯(lián)合負(fù)載要求的低速、短時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)場合。

YRTS和YRTM系列軸承與YRT系列推力-向心軸承具有相同的外形尺寸。YRTS采用特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與YRT系列推力-向心軸承相比，具有更高的極限轉(zhuǎn)速，并且摩擦力較低，適用于直驅(qū)轉(zhuǎn)臺和車銑復(fù)合轉(zhuǎn)臺使用，但僅具有少數(shù)規(guī)格產(chǎn)品。YRTM外帶角度測量系統(tǒng)，可以保證轉(zhuǎn)臺的高精度運(yùn)轉(zhuǎn)。

ZKLDF系列推力角接觸球軸承，采用雙列角接觸球軸承的結(jié)構(gòu)，可承受聯(lián)合載荷，并且具有極高的轉(zhuǎn)速和極低的摩擦力矩，又能保證高的回轉(zhuǎn)精度，適用于高速回轉(zhuǎn)工作臺。

3.3 抱閘機(jī)構(gòu)

抱閘機(jī)構(gòu)用來克服零件加工過程中的切削力，但對于多軸聯(lián)動機(jī)床而言，轉(zhuǎn)臺需要提供聯(lián)動軸，切削力不采用抱閘克服，而由電動機(jī)和機(jī)械傳動系統(tǒng)直接克服[15-17]。

抱閘機(jī)構(gòu)按照抱閘介質(zhì)的不同，可分為氣壓抱閘和液壓抱閘。氣壓抱閘適用于中低轉(zhuǎn)矩的場合，液壓抱閘適用于大轉(zhuǎn)矩場合。按照抱閘執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同，可分為鼠牙盤抱閘、抱閘套、摩擦盤抱閘，鼠牙盤抱閘適用于大尺寸、大轉(zhuǎn)矩非連續(xù)分度的轉(zhuǎn)臺，抱閘套和摩擦盤抱閘可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)分度抱閘。圖7分別為抱閘套和摩擦盤抱閘的工作原理。

圖7 抱閘機(jī)構(gòu)

摩擦盤抱閘靠液壓（氣壓）活塞軸向運(yùn)動，頂緊摩擦盤實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的抱閘定位；抱閘套靠液壓（氣壓）徑向抱死轉(zhuǎn)臺驅(qū)動軸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的抱閘定位。

4 結(jié)論

本文研究了數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺在配套機(jī)床整機(jī)和加工零件領(lǐng)域的典型應(yīng)用，研究回轉(zhuǎn)工作臺載荷、精度、速度等主要技術(shù)指標(biāo)，研究數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的傳動機(jī)構(gòu)、支撐軸承、抱閘機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，為數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺及機(jī)床整機(jī)制造企業(yè)的工程技術(shù)人員提供數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)品設(shè)計(jì)及選型設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺主要應(yīng)用于立式加工中心、臥式加工中心、立式車銑復(fù)合加工中心等機(jī)床。立式加工中心搭配單軸回轉(zhuǎn)工作臺，適合液壓閥體、泵體、汽車發(fā)動機(jī)缸體、葉片等零件的加工；立式加工中心搭配搖籃式雙軸轉(zhuǎn)臺，適合風(fēng)機(jī)葉輪、多面體箱體和殼體的加工。臥式銑鏜加工中心搭配大型轉(zhuǎn)臺，適用于工程機(jī)械、能源、船舶、軌道交通、航空航天等行業(yè)的機(jī)車轉(zhuǎn)向架、汽車模具、風(fēng)電行星架、發(fā)動機(jī)部件等精密零部件的加工。立式車銑復(fù)合加工中心搭配大型轉(zhuǎn)臺，主要用于航空航天、軍工、風(fēng)電、軌道交通、通用機(jī)械等加工行業(yè)的盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)體、火車輪、工程機(jī)械軸承、風(fēng)機(jī)軸承架等復(fù)雜大型盤類零件的加工。

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的主要技術(shù)指標(biāo)為載荷指標(biāo)、精度指標(biāo)、速度指標(biāo)。與技術(shù)指標(biāo)相關(guān)的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的關(guān)鍵技術(shù)為傳動機(jī)構(gòu)、支撐軸承、抱閘機(jī)構(gòu)。載荷指標(biāo)由轉(zhuǎn)臺軸承和抱閘機(jī)構(gòu)決定，精度指標(biāo)由傳動機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)的精度決定，速度指標(biāo)由驅(qū)動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速和傳動比決定。