直驱摇篮转台结构设计

谢晶晶 王 龙 张海亮

（秦川集团（西安）技术研究院有限公司，西安 710000）

1 摇篮式转台的结构和分类

装备制造业是一个国家建设的基石，机床水平是一个国家制造业水平的体现，而代表机床制造业最高境界的五轴联动数控机床，则反映了一个国家的工业发展水平。摇篮式转台加工中心是一种多任务、高效的五轴复合加工机床，可以用于复杂零件的铣削加工[1-3]。摇篮式五轴转台是数控转台的一种，属于机床加工的常用部件。在摇篮式五轴转台中，将绕X轴旋转的转轴定义为A轴，绕Z轴旋转的转轴定义为C轴。此转台通过A轴和C轴的组合将工件固定在工作台上。通常，将在360°内做回转运动的进给轴称为旋转轴，将只能在一定的角度范围内（如±130°内）做正反回转运动的进给轴称为摇摆轴[4-6]。

摇篮式五轴转台主要有以下5 种分类方式：按驱动的运动副分为齿轮副驱动、蜗轮蜗杆副驱动以及力矩电机直接驱动；按摇摆轴的支撑结构分为悬臂型摇摆轴和两端双支撑摇摆轴；按摇摆轴驱动个数分为双驱型摇摆轴和单驱型摇摆轴[7-10]；按旋转轴转速分为低速型摇篮式五轴转台、车铣复合型摇篮式五轴转台以及高速摇篮式五轴转台；按转台参与进给方式分为联动型摇篮式五轴转台和分度型的摇篮式五轴转台，其中分度型摇篮式五轴转台的两个回转轴不参与五轴联动功能，只有分度功能，而联动型摇篮式五轴转台的两个回转轴既参与五轴联动也有分度功能。

2 摇篮式转台的结构设计

在以往实际工程应用中，齿轮副驱动型和蜗轮蜗杆副驱动型摇篮转台的加工工艺和结构比较复杂，转速较低，而力矩电机直驱摇篮转台结构简单，转速可以提高10 ～200 倍，定位精度也提高了4 ～5 倍。数控机床目前正朝着高转速、高精度、高效率的方向发展，采用力矩电机直驱型摇篮式五轴转台是五轴加工中心的发展方向和趋势。

2.1 直驱型摇篮转台结构设计

直驱型摇篮转台结构按照摇篮轴结构分为单支撑摇篮结构和双支撑摇篮结构，但支撑摇篮结构承受负载较小，主要用于加工中小型零件。双支撑摇篮承受负载较大，采用单驱动或者双驱动结构形式。为了满足机床结构的紧凑性和受力平衡性，目前大多数摇篮结构采用双力矩电机驱动结构形式。

为了保证驱动的平稳性，采用双驱型摇摆轴式摇篮转台，结构如图1 所示。双驱型摇摆轴式摇篮转台包括摇摆轴A轴和回转轴C轴，均采用力矩电机直接驱动。A轴由力矩电机直接驱动，消除了中间结构件传动带来的弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损等一系列不良后果，提高了转台的传动精度、传动刚性、进给速度及转台的加工效率。该转台的A轴和C轴采用一套转台轴承就能满足转台承受联合负载的要求，不仅能够简化转台结构，而且能够降低设计、安装、维护的成本[11]。转台的A轴和C轴采用全封装式光学编码器，测量精度和防护等级较高。转台A轴和C轴均采用环抱式刹车结构，刹车扭矩大，刹车效果好。

图1 双驱型摇摆轴式摇篮转台结构

2.2 摇篮转台力矩电机的选型计算方法

2.2.1 五轴联动加工状态下的力矩电机选型计算

五轴联动加工状态下的电机需要克服的扭矩表达式为

式中：M总为某回转轴以最大角加速度回转运动时所需的总扭矩；Mj为回转轴所需的加速扭矩；Mɑ为转台容许扭矩；Mr为回转轴的回转摩擦扭矩。

转台某回转轴所需加速扭矩的表达式为）

式中：J为转台的转动惯量；α为回转轴的最大角加速度。

当转台的回转轴不是规则形状时，可以通过UG NX 三维软件测量转台的转动惯量J。

回转轴的最大角加速度表达式为

式中：n为回转轴最大转速；t为回转轴的加减速时间；ω为回转轴的最大角速度。

五轴联动加工时转台容许扭矩的表达式为

式中：F为五轴联动加工时的切削力；B为五轴联动时切削力到回转轴的垂直距离。

回转轴回转摩擦扭矩的表达式为

式中：M轴承是转台轴承的固有摩擦扭矩。

根据式（1）～式（5）计算M总，电机总额定扭矩不应小于M总，单个力矩电机的额定扭矩不应小于M总的1/2。

2.2.2 非五轴联动加工状态下的力矩电机选型计算

摇篮回转至某个位置并在此位置停止切削加工，此时为非五轴联动加工状态[12-13]。当摇篮转台A轴通过力矩电机回转至某一位置时，A轴的力矩电机按照堵转扭矩输出，使A轴保持在此位置。此时A轴的气动钳夹抱闸，力矩电机撤销A轴使能，不再输出力矩，完全依靠气动钳夹锁紧摇篮，使摇篮A轴保持在某一角度。根据重力负载变化，可以推断出当A轴旋转90°时其承受的负载最大。摇篮转台A轴旋转0°和90°时的状态，如图2 所示。

图2 摇篮转台A 轴回转0°和90°时的状态

非五轴联动加工状态下的电机需要克服的扭矩表达式为

式中：M非为摇篮转台回转至某一角度产生的偏心扭矩；Mβ为非五轴联动加工时产生的切削力矩。

摇篮转台回转至某一角度产生的偏心扭矩表达式为

式中：G为摇篮转台的总质量；L为A轴的旋转半径；β为A轴的回转角度。

非五轴联动加工时产生的切削力矩表达式为

式中：F'为非五轴联动加工时的切削力；B'为非五轴联动时切削力到旋转轴的垂直距离。

根据式（5）～式（8）计算M总'，电机总的堵转扭矩不应小于M总'，单个力矩电机的额定扭矩不应小于M总'的1/2。

2.3 摇篮转台气动钳夹的选型计算

根据2.2 节的计算结果，选择摇篮转台的力矩电机型号。回转轴气动钳夹的最大保持力矩不仅要克服力矩电机的最大扭矩，而且要克服旋转轴各种工况时所需的最大扭矩。

气动钳夹的夹紧扭矩表达式为

式中：M电为所选电机的最大扭矩。

要结合回转轴的轴径和回转轴运动部分所需要的夹紧扭矩，确定气动钳夹的规格和型号。

2.4 摇篮转台轴承计算校核

根据设计要求，摇篮转台的转台轴承要具有高回转精度，且能够承受径向切削力、双向轴向载荷和倾覆力矩，同时要根据安装尺寸和旋转轴负载确定轴承型号。首先要计算轴承承受的径向力和轴向力，其次根据轴承的轴向力和径向力计算轴承当量径向动载荷和当量轴向动载荷，最后校核计算轴承寿命。

2.5 摇篮转台密封结构设计

五轴立式加工中心双轴转台位于工作区正中心，大量冷却液、加工粉尘及金属屑极易污染摇篮内部构件，而且由于双轴转台工作时两个回转轴会频繁地进行往复摆动，其内部冷却构件所用液体介质存在较大泄漏风险，因此摇篮转台密封设计也很关键，对于相对静止的结构之间实用O 形密封圈密封，对于相对旋转的结构密封采用旋转密封圈[14-15]。

3 结语

本文研究了摇篮式五轴转台的结构分类，根据五轴加工中心的市场发展需要，主要从三维结构设计、驱动部分选型计算以及主要零件的计算、选型以及校核入手，实现了双驱型摇篮式五轴转台可行性结构，为摇篮式五轴转台的结构设计提供了理论基础。