數(shù)控機床直驅靜壓回轉工作臺的結構設計研究

1、<p>　　數(shù)控機床直驅靜壓回轉工作臺的結構設計研究</p><p>　　[摘 要]現(xiàn)代裝備制造業(yè)的發(fā)展對加工設備的要求越來越高。數(shù)控機床的出現(xiàn)迎合了這種需求，是先進制造技術和制造信息集成化的產物。數(shù)控機床作為制造裝備業(yè)中的基礎設備，是實現(xiàn)先進制造技術和裝備現(xiàn)代化的基石。數(shù)控機床整體性能的好壞，與其功能部件的性能具有直接的相關性。機床的研發(fā)在一定程度上，制約并引導著加工制造業(yè)的技術發(fā)展趨向。本文立足于對

2、數(shù)控機床直驅靜壓回轉工作臺的結構設計研究，在相關比較中通過將靜壓導軌和直驅技術相結合這樣的關鍵技術環(huán)節(jié)的分析，確定一種直驅靜壓回轉工作臺的整體設計方案。軸向采用靜壓導軌支撐，使工作臺具有較高的軸向剛度和回轉速度。直驅技術采用力矩電機，提高了轉臺的精度，改善了動態(tài)響應特性。 </p><p>　　[關鍵詞]數(shù)控機床；電機直驅式；回轉工作臺 </p><p>　　中圖分類號：TH 文獻標識碼：

3、A 文章編號：1009-914X（2015）35-0008-01 </p><p>　　隨著傳統(tǒng)的加工設備很難再適應現(xiàn)代裝配制造業(yè)在速度和精度等方面越來越高的加工制造要求，數(shù)控機床的出現(xiàn)是先進制造技術和制造信息集成化的產物。數(shù)控機床作為制造裝備業(yè)的工作母機，是實現(xiàn)先進制造技術和裝備現(xiàn)代化的基石，是保證高技術產業(yè)發(fā)展和國防軍工現(xiàn)代化的基石。我國制造業(yè)的發(fā)展對數(shù)控機床的性能要求越來越高，數(shù)控機床整體性能的好壞，與其功

4、能部件的性能具有直接的相關性。機床的研發(fā)在一定程度上，制約并引導著加工制造業(yè)的技術發(fā)展趨向。當下，隨著數(shù)控機床向多軸聯(lián)動的方向發(fā)展，相應的對數(shù)控回轉工作臺的精度要求也越來越高了。因為涉及到軍工、精密機械等相關行業(yè)的發(fā)展，因此，對數(shù)控機床回轉工作臺關鍵技術及部件的研究與開發(fā)，在各國的相關行業(yè)中是彼此間競爭的重點。近年來，我國在五軸聯(lián)動數(shù)控機床的研發(fā)方面，雖然取得了巨大的進展，但是相對于國外的整體水平而言，尚存在不小差距。結合相關技術和部件

5、的發(fā)展現(xiàn)狀，本文立足于對數(shù)控機床直驅靜壓回轉工作臺的結構設計研究，通過對關鍵技術環(huán)節(jié)的分析，確定一種直驅靜壓回轉工作臺的整體設計方案。 </p><p>　　一、直驅靜壓回轉工作臺的性能特征 </p><p>　　數(shù)控回轉工作臺的主要功能是參與零件的分度加工，各種圓弧加工、與直線坐標進給聯(lián)動進行曲面加工等。國內外文獻資料表明，在有關數(shù)控多軸聯(lián)動回轉工作臺的實現(xiàn)方案上，主要有以下三種結構類型

6、：滾動齒蝸輪蝸桿副回轉工作臺；電機直接驅動回轉工作臺；伺服電機驅動齒輪齒條副回轉工作臺。作為數(shù)控銑車的常用部件，數(shù)控回轉工作臺中所應用的直驅技術與工作臺臺體一起，不同于伺服電機系統(tǒng)，也不同于滾動齒蝸輪蝸桿系統(tǒng)。 </p><p>　　在滾動齒蝸輪蝸桿系統(tǒng)中，齒輪傳動、蝸桿傳動等機械傳動，隨著鍋桿傳動，嚙合輪齒間存在著摩擦、散熱、副效率低等問題。在這種技術模式下，因為齒輪的模數(shù)問題是制約技術發(fā)展的首要瓶頸，因此以蝸

7、輪蝸桿為動力傳送方式的齒輪結構雖然具有大傳動比，但是并不適用于高速高精度回轉工作臺。[1] </p><p>　　在伺服電機驅動系統(tǒng)中，以閉環(huán)的形式，由脈沖信號定位間接控制電機的轉動，將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象，明顯克服了滾動齒蝸輪蝸桿驅動電機過程中的發(fā)熱與噪音問題，此外，伺服電機還具有精度高、高速性能好等特點。在實現(xiàn)低速大扭矩輸出時，其局限性在于減速機的背隙、振動，以及伺服電機本身的性能等方面。[

8、2] </p><p>　　電機直接驅動回轉工作臺的驅動是步進電機（步進電機主要應用于中低端的數(shù)控設備中）。作為伺服技術發(fā)展的產物，它的設計結構簡單，具有損耗小、噪音低、少維護等特點，能夠實現(xiàn)低速大扭矩、高精度定位。省去了減速機等機械結構，與伺服電機相比，該系統(tǒng)的精度被進一步提高了。 </p><p>　　二、直驅靜壓回轉工作臺的關鍵技術 </p><p>　　數(shù)控

9、回轉工作臺作為機床的重要附件之一，通過使主機增加了一個回轉運動坐標軸，從而大大擴展了主機的加工范圍。直驅靜壓回轉工作臺將靜壓導軌和直驅技術相結合。回轉工作臺在工作性能上的兩個重要指標是：工作臺臺面尺寸和工作臺承載能力。靜壓導軌利用液壓力讓導軌和滑塊之間形成油膜，使滑塊有0.03mm左右的浮起，從而大大減小了滑塊和導軌之間的摩擦力。這種導軌形式特殊的油膜吸振特性對提高機床的精密度有重要的意義。開式與閉式靜壓導軌相比，后者的精度和剛性較前者

10、有所提高，因為在抗偏載能力方面具有突出的優(yōu)越性。[3] </p><p>　　直驅技術的核心是對力矩電機的采用。力矩電機在大型精密機床的回轉工作臺中的應用表現(xiàn)出傳統(tǒng)傳動所不可比擬的優(yōu)越性。以力矩機床為驅動方式的機床克服了傳統(tǒng)大型機床因為在驅動力技術方面存在缺陷而造成的工作臺振動、動態(tài)剛度差，轉臺伺服系統(tǒng)對動態(tài)干擾的抑制能力較差等問題。以相對較低的成本為前提，不僅通過提高工作臺的線速度而大大提高了工作效率，而且在精

11、度上，力矩電機驅動可以輕松地實現(xiàn)角秒級的靈敏度。不再通過機械傳送的方式來構成傳送鏈，力矩電機通過減少運行中的磨損，減少了工作臺的維護，從而提高了工作臺的使用壽命。 </p><p>　　以下設計方案將靜壓導軌和直驅技術相結合。軸向采用靜壓導軌支撐，使工作臺具有較高的軸向剛度和回轉速度。直驅技術采用力矩電機，提高了轉臺的精度，改善了動態(tài)響應特性。其他相關的功能性結構略。 </p><p>　

12、　三、直驅靜壓回轉工作臺的設計方案 </p><p>　　本文設計的用于大型機床的直驅靜壓回轉工作臺的主要結構如圖1-3所示。轉臺的回轉中心定位通過NN3048軸承支撐電子轉子連接套，螺釘將定心軸承座與滑鞍的中心孔連接起來。與定心軸承座上方相連的軸承壓環(huán)、電機轉子連接套的外臺肩下側與力矩電機的轉子通過螺釘聯(lián)系起來。工作臺下方內環(huán)與電機轉子連接套通過螺釘相連，電機轉子連接套得到內靜壓導軌板的支撐，外靜壓導軌板支撐工

13、作臺下方外環(huán)。內、外靜壓導軌支撐面的接觸可以精調。力矩電子的定子與電機定子連接套的內側肩相連。為了使力矩電機的定子和轉子同心一致，電機定子連接套的外側肩需要被固定在滑鞍上。編碼器軸的上端面與工作臺連接。定心軸承座支撐向心球軸承。編碼器需要通過對編碼器調節(jié)環(huán)的調整，編碼器連接法蘭盤的調整，使其回轉中心與NN3048 軸承的回轉中心重合。螺帽將動壓環(huán)固定在由內、外壓環(huán)所圍成的U型槽內。油缸被固定在滑鞍上，活塞將油缸與油缸蓋所形成的密封油腔分

14、隔為兩部分。活塞桿帶動動壓環(huán)控制上下油腔的進出油。其他結構部件略。 </p><p><b>　　四、總結 </b></p><p>　　綜上，在對數(shù)控機床直驅靜壓回轉工作臺的一例結構設計研究中，通過選取力矩電機作為驅動，靜壓導軌作為承載，向心球軸承為支撐，最后在這里給出了一臺直驅靜壓回轉工作臺的設計方案。在此過程中，可以看出我國數(shù)控機床的功能部件研發(fā)技術尚且滯后，進

15、而制約著部件生產實現(xiàn)產業(yè)化的同時，也同樣制約著高檔數(shù)控機床的研發(fā)和推廣。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] 孫淵濤，楊建璽，崔鳳奎等.大型直驅靜壓轉臺關鍵技術的分析與結構設計[J].機床與液壓，2014，（13）. </p><p>　　[2] 孫崗存，袁麗.數(shù)控回轉工作臺的設計研究[J].制造技術與