数控机床工作台研究——以直驱静压回转工作台为例

苏显峰

(黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨 150001)



数控机床工作台研究
——以直驱静压回转工作台为例

苏显峰

(黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨 150001)

立足于数控机床直驱静压回转工作台的结构设计研究，通过静压导轨和直驱技术的结合，对关键技术环节进行分析，确定一种直驱静压回转工作台的整体设计方案。轴向采用静压导轨支撑，使工作台具有较高的轴向刚度和回转速度。直驱技术采用力矩电机，提高转台的精度，改善了动态响应特性。

数控机床；直驱静压；回转工作台

在数控机床直驱静压回转工作台的结构设计中，选取力矩电机作为驱动，静压导轨作为承载，向心球轴承为支撑，提出直驱静压回转工作台的设计方案。我国数控机床的功能部件研发技术滞后，制约着部件的产业化生产，也制约着高档数控机床的研发和推广。

1 直驱静压回转工作台的性能特征

数控回转工作台的主要功能是参与零件的分度加工，各种圆弧加工、与直线坐标进给联动进行曲面加工等。国内外文献资料表明，在数控多轴联动回转工作台的实现方案中，主要有以下三种结构类型：滚动齿蜗轮蜗杆副回转工作台、电机直接驱动回转工作台、伺服电机驱动齿轮齿条副回转工作台。作为数控铣车的常用部件，数控回转工作台中应用的直驱技术与工作台台体一起，不同于伺服电机系统，也不同于滚动齿蜗轮蜗杆系统。

在滚动齿蜗轮蜗杆系统中，齿轮传动、蜗杆传动等机械传动，随着锅杆传动，啮合轮齿间存在着摩擦、散热、副效率低等问题。在这种模式下，齿轮的模数问题制约着技术发展，因此，并不适用于高速高精度回转工作台。

在伺服电机驱动系统中，以闭环的形式，由脉冲信号定位间接控制电机的转动，将电压信号转化为转矩和转速，以驱动控制对象，克服了滚动齿蜗轮蜗杆驱动电机过程中的发热与噪音问题。此外，伺服电机还具有精度高、高速性能好等特点。在实现低速大扭矩输出时，其局限性在于减速机的背隙、振动，以及伺服电机本身的性能等。

电机直接驱动回转工作台的驱动是步进电机，作为伺服技术发展的产物，它的设计结构简单，具有损耗小、噪音低、少维护等特点，能够实现低速大扭矩、高精度定位，省去了减速机等机械结构，与伺服电机相比，该系统的精度进一步提高。

2 直驱静压回转工作台的关键技术

数控回转工作台作为机床的重要附件之一，使主机增加了一个回转运动坐标轴，大大扩展了主机的加工范围。直驱静压回转工作台将静压导轨和直驱技术相结合。回转工作台在工作性能上的两个重要指标是：工作台台面尺寸和工作台承载能力。静压导轨利用液压力让导轨和滑块之间形成油膜，从而减小了滑块和导轨之间的摩擦力。开式与闭式静压导轨相比，后者的精度和刚性较前者有所提高，因为在抗偏载能力方面具有突出的优越性。

直驱技术的核心是采用力矩电机。以力矩机床为驱动方式的机床，克服了传统大型机床工作台振动、动态刚度差、转台伺服系统对动态干扰的抑制能力较差等问题。以相对较低的成本，通过提高工作台的线速度，大大提高了工作效率，在精度上，力矩电机驱动可以轻松实现角秒级的灵敏度，不再通过机械传送的方式来构成传送链。力矩电机通过减少运行中的磨损，减少了工作台的维护，从而极大提高了工作台的使用年限。

以某方案为例，笔者做具体分析，将静压导轨技术与直驱技术相结合。轴向采用静压导轨支撑，使工作台具有较高的轴向刚度和回转速度。直驱技术采用力矩电机，提高了转台的精度，改善了动态响应特性，其他相关功能性结构略。

3 直驱静压回转工作台的设计方案

本文设计的用于大型机床的直驱静压回转工作台主要结构如图1～3所示。转台的回转中心定位通过NN3048轴承支撑电子转子连接套，螺钉将定心轴承座与滑鞍的中心孔连接起来。与定心轴承座上方相连的轴承压环、电机转子连接套的外台肩下侧与力矩电机的转子通过螺钉联系起来。工作台下方内环与电机转子连接套通过螺钉相连，电机转子连接套得到内静压导轨板的支撑，外静压导轨板支撑工作台下方外环。内、外静压导轨支撑面的接触可以精调。力矩电子的定子与电机定子连接套的内侧肩相连。为了使力矩电机的定子与转子保持同心一致，需要将电机定子连接套的外侧肩固定在滑鞍上。编码器轴的上端面与工作台连接，定心轴承座支撑向心球轴承。编码器需要通过对编码器调节环的调整，连接法兰盘的调整，使回转中心与NN3048轴承的回转中心重合。螺帽将动压环固定在由内、外压环所围成的U型槽内。油缸被固定在滑鞍上，活塞将油缸与油缸盖形成的密封油腔分隔为两部分。活塞杆带动动压环控制上下油腔的进出油，其他结构部件略。

图1 滚动齿蜗轮锅杆副回转工作台Fig.1 Rolling gear worm wheel helix spindle rotary table

1-工作台；2-齿轮1；3-齿轮2；4-齿条；5-伺服电机。图2 伺服电机驱动齿轮齿条副回转工作台Fig.2 Servo motor drive gear rack rotary table

1-工作台；2-外静压导轨板；3-静压导轨进油口；4-滑鞍；5-冷却介质进/出水口；6-51168轴承；7-电机定子连接套；8-力矩电机；9-轴承压环；10-NN3048轴承；11-电机转子连接套；12-定心轴承座；13-静压导轨油油箱；14-编码器；15-编码器调整环；16-向心球轴承；17-编码器调整法兰盘；18-内静压导轨板；19-内静压导轨支撑面；20-碟型弹簧组件；21-油缸；22-活塞；23-外压环；24-动压环；25-内压环；26-外静压导轨支撑面；27-内静压导轨回油口；28-外静压导轨回油口。图3 直驱静压回转工作台结构图Fig.3 Direct drive static pressure rotary table structure chart

4 结语

目前，传统的加工设备很难满足现代装配制造业对速度和精度方面的加工制造要求，而数控机床的出现是先进制造技术和制造信息集成化的产物，数控机床在制造装备业中起到了非常重要的作用，是工作生产的母机，是实现现代化装备的基石，是实现先进制造技术的基石，是保证我国高技术产业及国防军工现代化发展的基石。随着我国制造业的发展，对数控机床的性能要求越来越高，数控机床整体性能的好坏，与其功能部件的性能具有直接相关性。机床的研发在一定程度上制约并引导着加工制造业的技术发展方向，当下，数控机床向多轴联动的方向发展，因此，对数控回转工作台的精度要求也越来越高。由于涉及军工、精密机械等相关行业的发展，因此，对数控机床回转工作台关键技术及部件的研究与开发，已成为各国竞争的重点。近年来，我国在五轴联动数控机床研发方面，虽然取得了巨大的进展，但是相对于国外的整体水平而言，尚存在不小差距，未来需要更进一步的研究发展。

[1] 杨兆军，郝庆波，陈菲，等.基于区间分析的数控机床可靠性模糊综合分配方法[J].北京工业大学学报，2016，(03)：103-104.

[2] 陈殿生，王田苗，魏洪兴.数控车床故障分布的两重威布尔分段模型[J].北京航空航天大学学报，2016，(07)：88-89.

[3] 申桂香，谷东伟，张英芝，等.数控机床最佳预防维修间隔时间的确定[J].重庆大学学报，2016，(01)：115-116.

[4] 于捷，贾亚洲.数控车床故障模式影响与致命性分析[J].哈尔滨工业大学学报，2006，(12)：46-47.

[5] 王智明，杨建国，王国强，等.多台数控机床最小维修的可靠性评估[J].哈尔滨工业大学学报，2016，(07)：51-52.

[6] 于捷，孙立大，石耀霖，等.基于BDD技术的数控机床故障树重要度分析[J].机床与液压，2016，(12)：67-68.

Research on CNC machine tool—taking direct drive static pressure rotary table as an example

SU Xian-feng

(Heilongjiang Institute of Mechanical Science, Harbin 150001, China)

Based on the structural design of direct drive static pressure rotary table of CNC machine tool, the key technical scheme is analyzed by the combination of hydrostatic guideway and direct drive technology to determine the overall design scheme of a direct drive hydrostatic rotary table. The axial direction is supported with hydrostatic guideway, so that the table has features of high axial stiffness and rotation speed. Torque motors are used in direct drive technology to improve the accuracy of rotary table and enhance dynamic response features.

CNC machine tools; Direct drive static pressure; Rotary table

2016-11-26

苏显峰(1972-)，男，本科，工程师。

TG659

A

1674-8646(2017)04-0126-02