数控回转工作台及关键技术

刘伟

（沈阳机床（集团）有限责任公司 刀架事业部，沈阳110142）

0 引言

数控回转工作台是立式加工中心、卧式加工中心、立式车铣复合加工中心等数控机床的核心功能部件。按照传动机构的不同，数控回转工作台可以分为机械式回转工作台和电动机直驱式回转工作台。机械式回转工作台由齿轮、蜗轮蜗杆等机构驱动工作台转动，电动机直驱式回转工作台采用力矩电动机直接驱动工作台转动。按照数控回转工作台的驱动轴个数不同，数控回转工作台可以分为单轴回转工作台和双轴回转工作台。按照数控回转工作台的安装形式的不同，可分为立式安装回转工作台和卧式安装回转工作台。按照工作台回转角度的不同，数控回转工作台可分为分度工作台和联动工作台，分度工作台在圆周范围内按指定分度角度旋转定位，联动工作台可沿圆周方向连续进给运动，与其他直线进给轴联动进行复杂曲面的加工。

数控回转工作台的主要技术指标为载荷指标、精度指标、速度指标。为保证数控回转工作台的精度和承受负载的能力，要求数控回转工作台采用合理的支撑结构、传动机构和刹车结构。数控回转工作台的精度指标主要包括工作台平面度、工作台对底面的平行度及工作台面的端面跳动等。数控回转工作台的载荷指标主要包括轴向载荷、径向载荷、弯曲载荷、扭转载荷等。

数控回转工作台的传动机构主要有蜗轮蜗杆机构及滚子凸轮、球驱动等类蜗轮蜗杆机构、齿轮机构、力矩电动机直驱机构。蜗轮蜗杆机构及滚子凸轮、球驱动等类蜗轮蜗杆机构广泛应用于各种中低速和中高载荷回转工作台的设计制造；齿轮机构主要用于低转速、高载荷的大型回转工作台的设计制造；力矩电动机直驱主要应用于高转速、低载荷的中小型回转工作台的设计制造。

数控回转工作台常用的刹车结构有鼠牙盘式刹车结构、径向环抱式刹车装置、轴向摩擦片式刹车结构。鼠牙盘式刹车结构精度高、刹车转矩大，但仅限于固定齿数的角度分度，不能应用于任意角度分度的回转工作台。径向环抱式刹车装置结构复杂、零件加工难度高、抱刹力作用半径小、生产成本高，一般由专业的外购件生产厂商提供。轴向摩擦片式刹车结构具有结构简单、刹车转矩大，可应用于任意角度分度的回转工作台等特点，近年来广泛应用于数控回转工作台的设计制造[1-3]。

本文研究数控回转工作台在配套机床整机和加工零件领域的典型应用，研究回转工作台载荷、精度、速度等主要技术指标，研究数控回转工作台的传动机构、支撑轴承、抱闸机构等关键技术。

1 数控回转工作台的应用

1.1 数控回转工作台在机床上的应用

图1所示为典型数控回转工作台和配套主机，以及加工零件关系示意图。数控回转工作台的主要配套机床主机有立式加工中心、卧式加工中心、立式车铣复合加工中心[4-6]。立式加工中心按照搭配数控回转工作台的不同可分别构成3轴立式加工中心、3+1轴立式加工中心、4轴联动立式加工中心、3+2轴立式加工中心。

图1 数控回转工作台在机床整机及加工零件应用

3轴立式加工中心不搭配数控回转工作台，适合模具、3C产品零部件的加工；3+1轴立式加工中心，搭配单轴转台，实现零件三面的集成加工，适合液压阀体、泵体、汽车发动机缸体的加工；4轴联动立式加工中心，搭配单轴转台和尾台，实现回转体多面加工，适合叶片等零件的加工；3+2轴立式加工中心，搭配摇篮式双轴转台，实现5轴5面的定位加工，适合风机叶轮、多面体箱体和壳体的加工。

卧式加工中心搭配大型转台，适用于工程机械、能源、船舶、轨道交通、航空航天等行业的机车转向架、汽车模具、风电行星架、发动机部件等精密零部件的加工。立式车铣复合加工中心，搭配大型转台，主要用于航空航天、军工、风电、轨道交通、通用机械等加工行业的盾构机回转体、火车轮、工程机械轴承、风机轴承架等复杂大型盘类零件的加工。

1.2 数控回转工作台的主要技术指标

数控回转工作台的主要技术指标为载荷指标、精度指标、速度指标。

图2所示为数控回转工作台的典型工况及载荷。切削加工时，切削载荷可分解为平行于转台轴线的轴向载荷Fa、垂直于转台轴向方向的径向载荷Fr、绕转台轴线旋转的扭转载荷T、引起转台轴线挠曲变形的弯曲载荷M。

图2 数控回转工作台的载荷

表1 数控回转工作台的精度指标

数控回转工作台的精度指标主要包括工作台面的平面度、工作台面对底平面的平行度、工作台面的端面跳动、中心定位孔的径向跳动、工作台面垂直时对底面的垂直度、主轴回转中心线对底座侧面的平行度、主轴回转中心线对定位键侧面的平行度、工作台的分度精度、工作台的重复分度精度。

数控回转工作台的速度指标主要为工作台的转动速度，由驱动电动机转速和传动机构的传动比决定。其中机械式回转工作台的转速一般较低，电动机直驱式回转工作台的转速一般较高。

2 数控回转工作台的结构

2.1 单轴回转工作台

图3所示为典型的单轴数控回转工作台结构示意图。转台台面支撑在转台轴承上，刹车片用于抱死并制动转台台面，密封结构起转台内部机构密封保护作用[7-10]。其中机械式回转工作台（如图3左侧视图）利用蜗杆蜗轮、齿轮等机械机构传动；力矩电动机直驱式回转工作台（如图3右侧视图）利用直驱电动机直接驱动。机械式回转工作台编码器安装在伺服电动机上，采用半闭环控制，一般精度可达15″。力矩电动机直驱式回转工作台的编码器安装在转台驱动轴上，为闭环控制，精度可达±（2.5″～5.0″）。

图3 单轴数控回转工作台结构

2.2 双轴回转工作台

图4 双轴数控回转工作台结构

图4所示为典型的双轴转台结构示意图，转台由两个相互垂直的旋转轴构成。而两个旋转轴分别由各自的传动机构驱动控制。

双轴转台由转台台面、台面驱动机构、摇摆臂驱动机构、摇摆臂组成，整体外观构成一个摇篮形状。摇摆臂和转台台面分别由摇摆臂驱动机构和台面驱动机构驱动。两轴相互垂直并相互独立转动，为三轴机床提供联动的第四、第五驱动轴。其中台面驱动机构和摇摆臂驱动机构各自的工作原理与单轴回转工作台的工作原理相同。

3 数控回转工作台的关键技术

3.1 传动机构

数控回转工作台传动机构的主要形式为齿轮传动、蜗轮蜗杆和类蜗轮蜗杆传动、电动机直驱传动。齿轮传动机构主要用于大型转台，具有良好的精度、高转矩、良好的速度，通常采用双电动机消隙驱动机构。电动机直驱的结构主要用于中高转矩、高转速、高定位精度、零反向间隙的数控回转工作台。蜗轮蜗杆和类蜗轮蜗杆机构主要用于高精度、高转矩、中低转速的数控回转工作台。数控回转工作台常见的蜗轮蜗杆和类蜗轮蜗杆结构如表2和图5所示。

表2 蜗轮蜗杆和类蜗轮蜗杆机构

3.2 支撑轴承

图5 蜗轮蜗杆和类蜗轮蜗杆机构

适合数控回转工作台使用的轴承包括精密交叉滚子轴承、YRT型推力-向心轴承、ZKLDF型推力角接触球轴承、静压轴承[11-14]。精密交叉滚子轴承仅适用于低转速、低转矩、较小尺寸的转台，静压轴承适用于大转速、大转矩、较大尺寸的转台。最广泛使用的轴承包括YRT系列推力-向心轴承和ZKLDF系列推力角接触球轴承，结构如图6所示。

图6 转台轴承

YRT系列推力-向心轴承采用一组径向滚子和两组推力滚子的结构，适用于高精度、高刚度、承受联合负载要求的低速、短时运转场合。

YRTS和YRTM系列轴承与YRT系列推力-向心轴承具有相同的外形尺寸。YRTS采用特殊的内部结构设计，与YRT系列推力-向心轴承相比，具有更高的极限转速，并且摩擦力较低，适用于直驱转台和车铣复合转台使用，但仅具有少数规格产品。YRTM外带角度测量系统，可以保证转台的高精度运转。

ZKLDF系列推力角接触球轴承，采用双列角接触球轴承的结构，可承受联合载荷，并且具有极高的转速和极低的摩擦力矩，又能保证高的回转精度，适用于高速回转工作台。

3.3 抱闸机构

抱闸机构用来克服零件加工过程中的切削力，但对于多轴联动机床而言，转台需要提供联动轴，切削力不采用抱闸克服，而由电动机和机械传动系统直接克服[15-17]。

抱闸机构按照抱闸介质的不同，可分为气压抱闸和液压抱闸。气压抱闸适用于中低转矩的场合，液压抱闸适用于大转矩场合。按照抱闸执行机构的不同，可分为鼠牙盘抱闸、抱闸套、摩擦盘抱闸，鼠牙盘抱闸适用于大尺寸、大转矩非连续分度的转台，抱闸套和摩擦盘抱闸可以实现连续分度抱闸。图7分别为抱闸套和摩擦盘抱闸的工作原理。

图7 抱闸机构

摩擦盘抱闸靠液压（气压）活塞轴向运动，顶紧摩擦盘实现转台的抱闸定位；抱闸套靠液压（气压）径向抱死转台驱动轴实现转台的抱闸定位。

4 结论

本文研究了数控回转工作台在配套机床整机和加工零件领域的典型应用，研究回转工作台载荷、精度、速度等主要技术指标，研究数控回转工作台的传动机构、支撑轴承、抱闸机构等关键技术，为数控回转工作台及机床整机制造企业的工程技术人员提供数控回转工作台产品设计及选型设计参考依据。

数控回转工作台主要应用于立式加工中心、卧式加工中心、立式车铣复合加工中心等机床。立式加工中心搭配单轴回转工作台，适合液压阀体、泵体、汽车发动机缸体、叶片等零件的加工；立式加工中心搭配摇篮式双轴转台，适合风机叶轮、多面体箱体和壳体的加工。卧式铣镗加工中心搭配大型转台，适用于工程机械、能源、船舶、轨道交通、航空航天等行业的机车转向架、汽车模具、风电行星架、发动机部件等精密零部件的加工。立式车铣复合加工中心搭配大型转台，主要用于航空航天、军工、风电、轨道交通、通用机械等加工行业的盾构机回转体、火车轮、工程机械轴承、风机轴承架等复杂大型盘类零件的加工。

数控回转工作台的主要技术指标为载荷指标、精度指标、速度指标。与技术指标相关的数控回转工作台的关键技术为传动机构、支撑轴承、抱闸机构。载荷指标由转台轴承和抱闸机构决定，精度指标由传动机构及其控制系统的精度决定，速度指标由驱动机构的转速和传动比决定。