兩軸數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的實用性研究

許光馳，鞠加彬，宋奇慧

(黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學院，哈爾濱150088)

兩軸數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的實用性研究

許光馳，鞠加彬，宋奇慧

(黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學院，哈爾濱150088)

近年來隨著國內(nèi)機床行業(yè)不斷發(fā)展，數(shù)控轉(zhuǎn)臺產(chǎn)品已經(jīng)成為數(shù)控機床核心功能部件。國外對數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的研究較多，但也存在適應(yīng)性差、功能較少和成本過高等問題，所以研制一種具有模塊式的多功能新型數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺具有一定的市場前景。

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺；數(shù)控機床；復雜表面加工

0 引言

數(shù)控轉(zhuǎn)臺是一種重要的機床附件，它的應(yīng)用為機床提供了回轉(zhuǎn)坐標，通過第四軸、第五軸驅(qū)動轉(zhuǎn)臺完成等分以及不等分或連續(xù)的回轉(zhuǎn)加工，使客戶加工復雜曲面變成可能，擴大了機床的加工范圍。國內(nèi)數(shù)控轉(zhuǎn)臺的中高端產(chǎn)品主要來自于臺灣及國外，國內(nèi)數(shù)控轉(zhuǎn)臺近年發(fā)展也很迅速并占領(lǐng)大部分市場。其中二軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺作為五軸聯(lián)動數(shù)控機床的關(guān)鍵功能部件之一，主要用于與機床設(shè)備配套完成機床各種功能，對保證機床基本功能的充分使用、擴大機床的工藝性能和使用范圍、保證加工精度、提高生產(chǎn)效率、減輕勞動強度等方面都起著重要作用，因此數(shù)控轉(zhuǎn)臺的發(fā)展水平便成為整個機床工業(yè)技術(shù)水平的標志之一。

1 國內(nèi)數(shù)控轉(zhuǎn)臺研制的現(xiàn)存問題

1.1 研制和生產(chǎn)成本高

由于國內(nèi)對數(shù)控轉(zhuǎn)臺的研究和投入資金相對較少，較難實現(xiàn)系統(tǒng)研究和規(guī)模化生產(chǎn)要求,高精度的機械件、伺服電機和測量元件很多依靠進口，使得設(shè)備生產(chǎn)成本高，利潤較低，維持后期的研發(fā)和生產(chǎn)過程也很困難。

1.2 機械零部件的加工精度低

受到高精度加工技術(shù)、裝備和產(chǎn)品批量的影響，少量生產(chǎn)的轉(zhuǎn)臺機械結(jié)構(gòu)精度不能滿足更高的應(yīng)有回轉(zhuǎn)精度、小間隙和剛度要求，所以往往只能通過購買標準部件來實現(xiàn)設(shè)計要求。

1.3 控制方式可靠性和靈活性差

作為相對獨立的二軸回轉(zhuǎn)工作臺，既有使用的獨立性，還應(yīng)具備能與現(xiàn)有三軸數(shù)控銑床等接口的配合功能，目前國內(nèi)外對于此項研究還需改進。

1.4 多功能性還需加強

現(xiàn)有的轉(zhuǎn)臺多為單軸轉(zhuǎn)臺和定方向轉(zhuǎn)臺，不同聯(lián)接面安裝或多于二軸轉(zhuǎn)臺技術(shù)不成熟，所以適應(yīng)加工范圍還有待擴展。也就是說該產(chǎn)品應(yīng)不僅可以適用數(shù)控設(shè)備，還應(yīng)能完成加工軸的轉(zhuǎn)化，并可作為其他普通機床的夾具來使用，擴展其應(yīng)用范圍和使用價值，具有更大的柔性和適應(yīng)性。

2 二軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺的研制功能

數(shù)控轉(zhuǎn)臺作為數(shù)控機床的關(guān)鍵部件，其設(shè)計的成功與否，將直接影響到數(shù)控機床的整機性能和生產(chǎn)效率，因此，研究數(shù)控轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計過程，對提高機床的加工精度以及加工質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。對于新型二軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺的研制，可以給國產(chǎn)的轉(zhuǎn)臺發(fā)展方向提供新的設(shè)計方向，補充國外產(chǎn)品設(shè)計缺陷，增加產(chǎn)品的功能要求。使轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)多功能化、模塊化、適應(yīng)性轉(zhuǎn)變，更好、更方便地結(jié)合現(xiàn)有數(shù)控機床控制方式，促進國內(nèi)轉(zhuǎn)臺的批量化生產(chǎn)和適用性研究，并形成系統(tǒng)和系列化的研究產(chǎn)品。

通過研究國內(nèi)外的機械加工發(fā)展需求和回轉(zhuǎn)工作臺工作方式研究，確定此次產(chǎn)品的研發(fā)方向應(yīng)定位于多功能性、應(yīng)用靈活性和可靠性等方面。兩軸回轉(zhuǎn)工作臺的研制為多功能轉(zhuǎn)臺產(chǎn)品的發(fā)展提供新的創(chuàng)造性思路，主要實現(xiàn)以下幾方面功能：①實現(xiàn)回轉(zhuǎn)軸變化的多功能調(diào)整方式，增加轉(zhuǎn)臺加工適用范圍；②實現(xiàn)模塊式的夾具組合方式，適用于夾具的擴展功能和提升機械系統(tǒng)在使用中的剛性；③研制成本較低的單片機控制方式，采用靈活多變且接口適用的控制方法。

數(shù)控回轉(zhuǎn)臺主要用于數(shù)控鏜床和數(shù)控銑床上，在原有三軸基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)動自由度，并與原X、Y、Z軸聯(lián)動，實現(xiàn)圓周進給和分度運動。此夾具用于加工有分度要求的孔、槽和斜面，或在加工時轉(zhuǎn)動工作臺，用于加工圓弧面和圓弧槽等，數(shù)控回轉(zhuǎn)臺不僅提高了加工效率，還可完成更多的加工工藝。常見的數(shù)控回轉(zhuǎn)臺由于受其結(jié)構(gòu)的限制，很難進行結(jié)構(gòu)的調(diào)整和功能變換，使其應(yīng)用范圍受到很大限制。本次研究的組合式數(shù)控回轉(zhuǎn)臺，是在數(shù)控回轉(zhuǎn)臺的研制基礎(chǔ)上吸收了組合夾具的設(shè)計理念，在結(jié)構(gòu)上采用了易于夾具重新組合的結(jié)構(gòu)，組合后可實現(xiàn)的臥式單軸和立式單軸驅(qū)動，也可實現(xiàn)雙軸聯(lián)動，具有方便重新組合的特點。將此夾具安裝在三個坐標直線移動的機床上，使機床在原有的X、Y、Z移動自由度基礎(chǔ)上，增加了X、Z（或X、Y等）轉(zhuǎn)動自由度，使用夾具后具有較高柔性，擴展了原有數(shù)控機床功能及范圍。

3 二軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺的研制過程

3.1 夾具總體研制方案的制定

目前，機床數(shù)控轉(zhuǎn)臺的研究主要包括以下方面：機械結(jié)構(gòu)研究，驅(qū)動元件研究，控制技術(shù)研究，檢測方法研究，可靠性與穩(wěn)定性研究。通過市場調(diào)研確定數(shù)控回轉(zhuǎn)臺的主要參數(shù)和應(yīng)用范圍，即裝夾工件的種類和尺寸、適用機床及切削力指標等；確定夾具的機械結(jié)構(gòu)和尺寸，機械結(jié)構(gòu)應(yīng)有利于夾具的組合拆裝，以實現(xiàn)新的夾具功能；確定旋轉(zhuǎn)自由度的組合方式，即C、A軸組合形式和A、B軸組合形式，采用伺服控制方式，并應(yīng)能實現(xiàn)與現(xiàn)有數(shù)控設(shè)備接口，還可采用獨立控制方式。

3.2 夾具機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造

依據(jù)夾具所加工件的類型特點，研究傳動機構(gòu)和支承方式，進行設(shè)計計算，確定所承受的切削力及力矩，選擇伺服電機型號、各旋轉(zhuǎn)軸的傳動比、軸承型號，并校核夾具重要零件剛性；進行三維實體建模，以及運動學和動力學仿真，具體設(shè)計夾具機械結(jié)構(gòu)及尺寸；進行CAD裝配圖和零件圖設(shè)計；完成機械加工與裝配過程，保證機械裝配及調(diào)試精度。

3.3 控制系統(tǒng)功能和控制方式的確定

完成電控箱及控制線路的設(shè)計與安裝；實現(xiàn)數(shù)控機床與夾具的聯(lián)動調(diào)試，進行空車試驗、零件加工、剛度測試和批量生產(chǎn)檢驗應(yīng)重點調(diào)試和檢測起始點定位精度、保證定位誤差、重復定位誤差指標和系統(tǒng)剛度。

3.4 夾具的改進研究

在轉(zhuǎn)臺樣品安裝調(diào)試基礎(chǔ)上，通過整體性能檢測，完成夾具的改進設(shè)計和制造批量化，即在試加工中測量剛度和定位誤差等指標，完成加工產(chǎn)品的精度測量，進行結(jié)構(gòu)調(diào)整和改進；考慮降低成本和適應(yīng)批量化生產(chǎn)要求，從夾具結(jié)構(gòu)上和控制方式上實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)方式；設(shè)置夾具的外加防護功能，防止鐵屑和油污侵入，保證夾具長期工作的可靠性，增強夾具的控制可靠性和實現(xiàn)產(chǎn)品化的要求。

4 新型二軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺的特點

4.1 組合方式的實用性

將組合夾具的特點與傳統(tǒng)的數(shù)控回轉(zhuǎn)臺結(jié)合在一起，作為柔性化的機械制造裝備，能適應(yīng)迅速更換產(chǎn)品的需要，綜合考慮其功能的靈活性和所加工零件類型、尺寸的廣泛適應(yīng)性。此次開發(fā)新型的為適應(yīng)數(shù)控機床和加工中心的加工要求，應(yīng)具有高的精度和剛度，程序控制的穩(wěn)定性，操作的方便性。此次研制的組合式數(shù)控回轉(zhuǎn)臺按產(chǎn)品級要求，可適應(yīng)多種零件加工和多種數(shù)控機床，實現(xiàn)各種球、圓弧曲面等的加工?？梢灶A計，組合式數(shù)控回轉(zhuǎn)臺作為一種具有相當柔性的工藝裝備,必將獲得比過去更加廣泛的應(yīng)用，并推動機械制造業(yè)的進步。

4.2 復合加工的科學性

目前數(shù)控回轉(zhuǎn)臺已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床和加工中心上，它的總體發(fā)展趨勢是：在規(guī)格上將向兩側(cè)延伸，即開發(fā)小型和大型轉(zhuǎn)臺；在性能上將大幅度提高工作臺轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)臺的承載能力和柔性組合性能；在形式上繼續(xù)研制兩軸聯(lián)動或多軸聯(lián)動回轉(zhuǎn)式的數(shù)控平臺。大多數(shù)金屬加工機床的數(shù)控進給復合加工運動，都是以直線軸加上回轉(zhuǎn)軸運動來實現(xiàn)的。為了應(yīng)對日益增多的復雜零件加工、提高加工精度和效率，多軸機床和復合機床在此方面進一步創(chuàng)新發(fā)展。本次研制產(chǎn)品正是實現(xiàn)了小型化、柔性組合性能，除實現(xiàn)自身二軸聯(lián)動基礎(chǔ)上，又向著與原設(shè)備聯(lián)動方向開發(fā)。

4.3 傳動精度控制的合理性

夾具傳動精度是機械加工精度的重要保證，所以應(yīng)從機械傳動精度、系統(tǒng)剛度和控制精度幾方面保證起始定位誤差和運動精度要求。為達到消除間隙的目的，轉(zhuǎn)臺消隙方式可采用齒輪副變中心距消隙，輪副偏心套消隙，變螺距蝸輪蝸桿機構(gòu)等。在實際研制中兩軸分別采用一級減速機構(gòu)，以減少間隙產(chǎn)生的部位：在X軸采用了1：90傳動比的可調(diào)間隙的變螺距蝸輪蝸桿機構(gòu)，以便在使用過程中克服由于機械磨損而產(chǎn)生的間隙變大現(xiàn)象，可隨時調(diào)整傳動間隙；Y軸則采用了輪副偏心套消隙機構(gòu)的齒輪傳動方式，選定了1：18的空心減速器，以便于所加工的細長工件能夠通過中空卡爪進行安裝，提高了夾具的應(yīng)用范圍。在傳感器定位方面，轉(zhuǎn)臺原點調(diào)整采用微動開關(guān)，轉(zhuǎn)臺定位前在程序上設(shè)定減速以增加定位精度?？稍O(shè)定位撞塊與起始位置的角度數(shù)值來設(shè)置起始原點位置，以使轉(zhuǎn)盤回歸機械原點，在兩軸的旋轉(zhuǎn)方向各采用三開關(guān)檢測，即兩個限位開關(guān)和一個零點檢測開關(guān)。

5 結(jié)語

本次研制工作解決了原有國產(chǎn)轉(zhuǎn)臺裝備適用性及柔性差、制造成本高、數(shù)控接口難于對接等問題，實現(xiàn)了多功能化、模塊化和高精度的設(shè)計要求。在研制過程上遵循科學的方法，并形成完整的研制資料，十分有利于產(chǎn)品的推廣及二次開發(fā)。開發(fā)多功能、適用性強的二軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺對于傳統(tǒng)數(shù)控加工的升級改造、三軸數(shù)控機床的加工范圍提升有著重要意義。在數(shù)控轉(zhuǎn)臺的功能上實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的適應(yīng)性轉(zhuǎn)化，根據(jù)加工情況改變軸臺的安裝面；實現(xiàn)模塊化及多功能裝夾方式，用戶可通過改變或更換少量部件實現(xiàn)不同的裝夾方法；完成適用性更強和成本更低的控制方式，有利于產(chǎn)品的使用和推廣。另外應(yīng)該看到機械工藝裝備、精密外購件和數(shù)控產(chǎn)品的研制水平始終是制約我國高精端產(chǎn)品研發(fā)的阻礙因素，只有真正改善研制環(huán)境和投資水平才能實現(xiàn)研制的更高級目標。

[1]呂超，劉建華.數(shù)控轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)形式[J].金屬加工，2013，（13）：18-19.

[2]李樹宏.新型數(shù)控機床數(shù)控轉(zhuǎn)臺的動靜態(tài)特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2013：1-7.

（編輯 文新梅）

The Application Research of Two-axis CNC Rotary Table

XUGuangchi，JUJiabin，SONGQihui
（HeilongjiangAgricultural EngineeringVocational College,Harbin 150088,China)

With the continuous development of domestic machine tool industry，CNC rotary table products have become the core components of CNC machine tools.The research of CNC rotary table is more at abroad，but there is the problem of poor adaptability,less functions and high cost.So the research of a newkind of CNC two-axis rotary table with modular and multi functions has a certain market prospect.

CNCrotarytable;numerical control machine tool；complexsurface machining

T-19

A

1672-0601（2015）11-0091-03

2015-10-05

本文系黑龍江省教育廳2012年度科學技術(shù)研究項目“兩軸數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的研究”（課題編號：12525064）和黑龍江省職業(yè)教育協(xié)會“十二五”規(guī)劃課題“《公差配合與技術(shù)測量》實踐的項目教學研究”（課題編號：GG0280）的研究成果。

許光馳（1972―），男，黑龍江哈爾濱人，教授，高級工程師，工學碩士，主要研究方向：機械設(shè)計與制造。