数控回转工作台关键技术研究

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Abstract：This article introduces driving technology of NC rotary table，the technique for gap adjustment and the locationtechnique for tight braking.With an investigation of its key technology，the developing trend of the related techniques aleinduced and summarized。

Key Words：NC Rotary Table Driving Technology Clearance Adjustment Tight-brake Positioning近 几 年 来 ，随 着 国 内 机 床 行 业 不 断 发 展 ，数 控 回转 工作 台 已经 发展 成 为数 控机 床核 心 功能 部件 。数控回转 工 作 台 在 数 控 机 床 领 域 特 别 是 5轴 加 工 领 域 中应 用 广 泛 .数 控 回转 工 作 台作 为 机 床 第 4轴 、第 5轴可 以完 成 复 杂表 面 零件 加 工 1]。数控 回转 工作 台关键技 术 主要 内容 可 分 为 ：核 心传 动 技术 、间 隙调 节 技 术 、刹 紧定 位 技术 。机 械式数 控 转 台驱动 结构 主 要 以凸轮减 速 机 构 、蜗 轮 蜗 杆 减 速 机 构 为 主 ，齿 轮 同步 带 作 为二级 减 速 机构 与驱 动 电机 相连 接 。数 控 回转 工作 台 间隙 调节 主要 是 减少 传 动 环节 中 的反 向 间隙 ，从 而 提高数控 回转 工作 台 的定位 精 度 。数 控 回转工 作 台 的刹 紧定位 采 用 比较 多 的是气 压 与液压 两 种方 式 。

1 数控回转工作台传动技术国 内生 产 和使 用 的 绝 大 多 数 数 控 回转 工 作 台传动是 靠 伺 服 电机 通 过 机 械传 动 机 构 (齿 轮 、蜗 轮蜗 杆 、间 歇进 给 机 构 等 )传 递 力 矩 的 。由 于数 控 转 台传 动 机构 中零 件 加 工精 度 不 同 ，传 动 间 隙 、弹性 形 变 、非 线 性摩 擦 也 不 同 。这 些 因素都 将 影 响数 控 转 台 传 动性 能 。

如 图 1所 示 ，数 控 转 台传 动性 能影 响数 控 转 台 的定 位时 间 ，数 控 转 台定 位 旋 转 180。，时 间 t 是 由数 控 转 台加 速 时 间 1、运 行 时 间 、减 速时 间 t 决定 的 ，提 高 数控 回转 工 作 台传 动 性 能 可 以有 效 减 少 转 台 加减 速 时间 。提 高转 台传动 性能 是 提高数 控 转 台定位 响 应速 度及 数 控 转 台定 位精 度 的 关键 ，同 时 ，提 高转 台 的 传 动性 能 还 要 解 决 数 控 回转 工 作 台传 动 特 性 与 数 控转 台负载 特性 的匹配 问题 。通 过对 数控 回转 工作 台加 载传动模 态 试 验 分 析 ，当 转 台负 载 惯量 与 转 台 驱 动本 身 的 国家重大科技专项(编号：2OlOzXO4014-015)收稿 日期 ：20l2年 11月机械制造51卷第584期惯量 在-定 比例范 围 内 。即数控 回转 工作 台要达 到精确定 位要求 ，- 般来 说 ，转 台负载 的惯 量 和转 台驱 动 的惯量 比例控 制 在 3以 内 ，数 控 回转工 作 台传 动性 能就发挥 得 比较 好 。否则 容易 出现振荡 。同时 ，数 控 回转 工作 台机械传 动 环节转 动 惯量 与 电机轴 上 的转 动惯量 比越大 ，转 台加 工过程 中承受 的切 削扰 动能力 就越 大 。

2 数控回转工作台间隙调节技术数控 回转工 作 台 由于存 在 传 动结 构 .反 向 间隙 偏大 ，数 控 回转 工作 台反 向 间隙 大小 是 衡 量转 台性 能 的重要 参 数 ，数控 回转 工作 台间 隙调 节 技 术 是提 高 转 台高精 度运行 的关键 技术 。

中 国台 湾地 区数控 回转 工作 台产 品 比较 丰富 .其中 。欧 权 科 技 数控 转 台旋 转 精 度 为 20～40"。重 复定 位精 度 为 4 ，转 台传 递 力 矩顺 序 为 电机 、同步 带 、凸轮运动 副 、转 台台 面 。该 公 司数 控 转 台分 度 凸轮 间隙 调 节机构 如 图 2所 示 ，数 控转 台凸 轮进 给 运 动 副将 传 动 中的 滑动 摩 擦转 化 为 滚动 摩 擦 。凸轮滚 子 是 由滚 针 轴 承与 中 间轴 组 成 .滚 针轴 承 是 由带 有锥 度 的 轴 承外 圈和2013/4画滚 针构 成 ，其 中 .为 了消除 因 凸轮 运动 副磨 损造 成 齿面啮合侧 隙变 大 问题 ，凸轮运 动 副驱动 数控 转 台有 调 隙机 构 .凸轮进 给机 构 中 ，凸轮杆轴 与 凸轮滚 子 中心 距离可 以通 过前 后 - 组偏 心 的轴 承 座 进 行 调整 ，通 过 0～180o旋 转前后两 个偏心 轴承座 .可 以改变 轴与 凸轮杆轴旋 转 中心 的距离 ，最大改 变量为轴 承座 的偏 心量 E2]。

数控 回转 工作 台采用 蜗杆 、蜗轮 传 动 (图 3)，蜗 轮副 的啮合 侧 隙对其 分度定 位 精度影 响 最大 ，因此消 除蜗 轮副 的侧 隙就 成为 转 台 实现 传 动 精确 的关 键 技术 。

在要 求连 续精 确分 度 的机构 中 ，为 了避免 传动 机 构 因承 受 脉 动 载 荷 而 引 起 扭 转 振 动 ，往 往 采 用 变 导 程 蜗 杆 ，以便 调整 啮合 侧 隙到最 小 限度 3]。变导 程蜗杆 传 动 的数 控 回转 工 作 台与定 导程蜗 杆传 动 的 区别 是 ：变 导程蜗 杆齿 的左 、右两 侧 面具有 不 同的齿 距 (导程 )；而 同-侧 面 的齿距 (导程 )则 是相 等 的 。变 导程 蜗杆 副 的啮合原 理 与-般 蜗杆 啮合 原理 相 同 ，蜗 杆 的轴 向截 面仍 相当于 基本齿 条 .蜗轮 则相 当于 同它 啮合 的齿 轮 。由 于蜗轮齿 左 、右 两侧 面 具有 不 同 的齿 距 ，即左 、右两 模 数 的平 均值 。变 导 程 的蜗 轮 蜗杆副 的应 用可 以有 效 地延 长数 控 回转工 作 台的使 用 寿命 。便 于 安 装 、调 试 和 维护 。

其特 点是 蜗杆 的齿部 采 用齿距 连续 变化 ，而蜗 轮 的齿部则 采用 等齿 距 的设 计 ，这 样蜗 轮蜗 杆副 的齿 轮 由于工作 磨损 而产 生较 大 的啮合 间 隙时 ，就可 以通 过修 磨调整 垫来 重新 寻找 到- 个合适 的齿距 进行 配合 ，这样可 有效地 延 长转 台的使 用寿命 。

3 数控回转工作台刹紧定位技术图 2 数控回转工作台凸轮运动副刹 紧定位技 术 是数控 回转工作 台的关 键技 术 。如何对 数控 转 台设 计 和施 加刹 紧力 ，保 证数 控 回转 工作台在 刹 紧过程 中减 小窜 动 是数控 转 台关键 技 术 。气 压刹 紧 装 置 相 比普 通 刹 紧 装 置 增 加 了 多 层 摩 擦 面 ，刹 车力 提高 。且结 构简 单可 靠 .克服 了单 体式 刹 紧机构 刹 车片摩 擦 力不 足 、容 易产 生滑 移 的缺点 ，并 且避 免 了高 压油 高成 本 、污染环 境 的 困扰 ，具 有方 便实 用 的特 点 。

液 压数 控转 台刹 紧机 构原 理如 图 4所示 ， 当数 控回转 工作 台旋转 至 指定位 置 后 ，通 入 高压油 推 动 活塞压紧刹 车 片 ，即可夹 紧转 台 。此方 式刹 紧定 位机 构使 数控 回转 工作 台性 能 提高 .但 是实 际使 用过 程 中加 工成本增 加 ，结构 空间 加大 ，并且 存在 造成 环境 污染 等诸 多问 题 。

如 图 5所 示 ，气压 刹 紧定位 装置 两 片刹 车 片安装在 数控转 台固定箱 体 中 .配合 两片刹 车 片安 装有 固定片 .固定 片 与刹车 片相 互交 叉排 列 .刹 车片与 固定 片按照 卞 环 片 加 工制 作 ，- 般 厚 度 为 0.5 mm 较 好 .使 用最 大 厚度 为 1 mm 以下 。 当数控 回转 工作 台旋 转 至预定 位 置后 ，刹车 制 动 ，通 过气 压 装 置 推动 活 塞 ，使 活 塞凸缘压 紧 固定 片 以推 压刹 车 片 .叠 层 片体 相互 挤 压摩擦 ，以形 成 多组 摩 擦 面 ，使最 底 部 刹 车 片贴 紧底 座 ，达到刹 车定 位 的作 用 ，确保 定位 精确 和加 工精 密 。当需要数控 回转 工作 台工作 时 ，气压 放松 夹持 ，可 使活 塞 自然松开 ，另外 底座 上 的弹性 件推 开 活塞 ，使 固定 片重 新保持松 开状 态 ，从 而不 会 阻碍转 台的旋转 。目前 数控 回转工作 台 的夹钳 技术 应用 比较 好 的是气 压 与液 压两 种刹紧定 位方 式 .气压 结构 比较 固定 ，液 压结 构 变化 比较多 ，应用 比较 灵活 ，更 多地被 先进 的数 控 回转 工作 台厂家 所 采 用4 总结通 过对 国内外数 控 回转工 作 台技术 研究 不难 发 现数 控转 台核 心关 键技 术发 展趋 势 为 ：(1)提 高数 控 回转工 作 台传动 性能 是提 高 数控 转台定位 响应 速 度及转 台定位精 度 的关键 ，数 控 回转 ZIT。

作 台传 动机 构 中 的零 件 加工精 度 、传 动 间隙 、弹性 形变 、非线 性 摩擦 、负载 与 传 动惯 量 匹 配 ，这 些 因 素都 直接影 响数 控转 台 的传 动 性能 。

回弹装置图3 数控回转工作台间隙调节技术 图4 数控回转工作台液压刹紧定位机构原理图 图5 数控转台多片刹车系统结构2013/4 机械制造51卷第584期集 成 驱 动 动 力 刀 架 瞬 态 性 能 研 究冰口 高守锋 口 杨庆东北京信息科技大学 机电工程学院 北京 100192摘 要：介绍-种单 自由度动力刀架，通过与同类刀架产品指标分析对比，显示出该刀架结构更紧凑、换刀更迅速。

以刀架转位系统为研究对象，基于系统的转动惯量、阻尼系数、刚度系数建立了系统瞬态性能分析模型。通过时域分析法。

利用SIMULINK对系统模型进行仿真。根据得到的系统阶跃响应曲线分析刀架在高速换刀时的抗冲击稳定性。分析显示，该刀架的结构设计合理 .性能 良好。

关键词 ：单 电机动力刀架 换刀时间 瞬态性 能 稳定性中图分类号：TH122；TG516 文献标识码：A 文章编号：1000-4998f2013)04-0025-04动 力 刀架 作 为先 进 切 削 中 心 的核 心 功 能 部件 ，对提高 加 工质 量 和加工 速 度发 挥着 重要 作 用 ，其 性 能 的优 劣 直接 关 系到 机床 整 体性 能的 优劣 。对于 双 电机 式动 力 刀架 ，国内 厂家 已经 有成熟 的产 品 ；但 对 于结 构 更复 杂 、技术 含 量高 的单 电机式 动力 刀架 ，目前 仅有 少 数几 个 刀架 制造 商 可 以提供 .国内 尚没有 成熟 产 品 。与 双电机式 动 力刀 架相 比 ，单 电机 式 动力 刀架 具 有结 构 紧凑 、响应迅 速 、精度 高 等优 点 。

由于 省去 动力 刀具 驱 动拈 ， 中心高 相 同 的单 电机 式 动力 刀架 相 比双 电机 式动力 刀架 结构 更 紧凑 (图1)、成 本 更 低 、质 量 更 轻 ，大 大 减 轻 了机 床 进 给 机 构 的负 担 ，可 以使 刀具 更迅 速地 到达 加 工位 置 。表 1是 国内几 种双 电机 动 力刀 架 的换 刀时 间 。

本 课 题 动 力 刀 架 30。换 刀 时 间低 于 0.2 s，180。换刀 时 间为 1s，对 比发现 ，在 换刀 速度 方 面有很 大 优势 。

1 换刀时间分析1.1 转 动 惯 量 计 算为分 析 该刀 架 的换 刀时 间 。首先 需 要 计算 完成 换刀动 作 的传 动链 中各 转 动零 部件 的转 动 惯 量 ，并将 其北京市科技计划项目(编号：DI1110400260000)收稿日期：2O12年 11月表 1 几种双电机动力刀架的换刀时间刀架型号 型号 1 型号 2 型号 3中心高/mm lo0 125 1253O。换刀时间/s O.2 O.32 O.3180。换刀时间/s ， 2。5 l-4折算 到 电机轴 。而基 于 系统 的总转 动 惯量 、总阻 尼 系数 、总 刚度 系数 建立 的 系统微 5-)-7Y程及 由此 变形 得 到的传 递 函数是 分 析系统 瞬 态特性 的重要 依据 。

传动 链上 各转 动零 部 件 的转 动惯 量计 算 见表 2。

1.2 刀 盘 换 刀 启 动 扭 矩 分 析换刀系统的伺服 电机需要克服以下 3种不 同的扭矩。

(1)刀 盘启 动时 的加 速扭 矩 ；(2)由于刀盘装 刀位置 不平衡 产生 的偏 载扭 矩 ；(3)刀 盘转 动 时各 零部 件 间 的摩擦 扭 矩 ，经 估(2)数 控 回转 工 作 台间 隙调 节技 术 中 ，更 多 地采用 分 度 凸轮 副驱 动数 控转 台的啮 合 间隙调 节 ，是 通过旋 转 偏心 轴承 座 实现 .调节 改变 凸轮 杆轴 与 凸轮 滚子旋 转 中心 的距 离 。其 次采 用变 导 程蜗 轮蜗 杆 副驱 动 的数 控转 台啮合 ，间隙是 通 过修磨 调 整垫 来 实现 ，通 过修磨 重 新 寻找 到- 个合适 的蜗 轮 、蜗 杆 啮合齿 距 。

(3)数 控转 台的 刹 紧定位 技 术 中 ，应用 最 多 的是气 压 与液 压两 种 刹 紧方 式 ，气 压 刹 紧定位 结构 安 全性高 、反应 时 间快 、清洁 度 高 、无 漏油 现象 ，液 压 刹 紧定位机械制造51卷第584期结构 变 化较 多 ，应 用 比较灵 活 ，更 多的被 先进 的数控 回转工 作 台厂 家所 采用 。