一種高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺

刁靜林 王桂東

（1.煙臺環(huán)球機(jī)床裝備股份有限公司，煙臺 264000；2.山東省機(jī)械設(shè)計研究院，濟(jì)南 250031）

1 數(shù)控轉(zhuǎn)臺基本概述

數(shù)控轉(zhuǎn)臺是拓展機(jī)床加工功能的重要附件，尤其是立式加工中心，如果能配上性能優(yōu)良的數(shù)控轉(zhuǎn)臺，其性能將和復(fù)合加工中心性能水準(zhǔn)相同。目前，配在機(jī)床上的轉(zhuǎn)臺主要分為三種，即蝸輪蝸桿傳動驅(qū)動式、圓柱直齒輪減速驅(qū)動式和力矩電機(jī)直驅(qū)式。

蝸輪蝸桿減速驅(qū)動式和圓柱直齒輪減速驅(qū)動式數(shù)控轉(zhuǎn)臺，通常以機(jī)械端齒盤作為定位元件實現(xiàn)分度，這種分度方式存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分度運(yùn)行慢以及最小分度單位大等缺陷；而力矩電機(jī)直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺，雖然具有結(jié)構(gòu)簡化、運(yùn)行快、可以任意分度等優(yōu)點，但定位穩(wěn)定性較前兩者差距較大，難以承擔(dān)重大載荷。本文所述高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺，在利用力矩電機(jī)直驅(qū)優(yōu)勢的狀況下，采用了多片疊層摩擦式制動系統(tǒng)，不但克服了上述缺陷，而且具有車削功能，外形如圖1所示。

圖1 外形示意圖

2 高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)簡介

本設(shè)計高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)如圖2所示，其剎車片構(gòu)成如圖3所示，高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺由轉(zhuǎn)臺體、轉(zhuǎn)臺、制動器和傳感器等四部分構(gòu)成。

2.1 轉(zhuǎn)臺體

轉(zhuǎn)臺體包括軀殼1、定子17、轉(zhuǎn)臺蓋19、屏蔽殼20和定位鍵28等。定子17固嵌在軀殼1內(nèi)，定子17與殼體1之間設(shè)有屏蔽殼20，轉(zhuǎn)臺蓋19通過螺釘18緊固在殼體1上，定位鍵28緊固在軀殼1上；當(dāng)轉(zhuǎn)臺與機(jī)床安裝時由定位鍵28定位、通過T形螺釘緊固。

2.2 轉(zhuǎn)臺

轉(zhuǎn)臺包括工作臺2、上壓圈4、軸承5、下壓圈13和轉(zhuǎn)子16等。工作臺2通過軸承5裝在軀殼1上，上壓圈4和下壓圈13將軸承5的外圈、內(nèi)圈分別緊固在軀殼1和工作臺2上，使工作臺2與軀殼1形成轉(zhuǎn)動副。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 剎車片放大示意圖

2.3 制動器

制動器包括內(nèi)滑套9、靜摩擦片10、動摩擦片11、缸上蓋12、缸套14、活塞套15、缸下蓋24、密封環(huán)25、銷軸26和固定套27等。固定套27大端固裝在轉(zhuǎn)臺蓋19上，固定套27小端套裝著一組靜摩擦片10，靜摩擦片10通過螺釘8緊固在固定套27上；一組靜摩擦片10與另一組動摩擦片11交替疊裝，摩擦片與摩擦片之間均保留0.1～0.4mm的間隙，動摩擦片11通過螺釘7固裝在工作臺2上；內(nèi)滑套9裝在固定套27內(nèi)，內(nèi)滑套9左端為法蘭盤形，法蘭盤內(nèi)側(cè)的外沿設(shè)有環(huán)形弧面，環(huán)形弧面能夠?qū)δΣ疗鹗┝ψ饔茫瑑?nèi)滑套9右端設(shè)有橫孔，孔內(nèi)裝有銷軸26，銷軸26同時穿過固定套27和活塞套15，并與內(nèi)滑套9、活塞套15為過盈配合，與固定套27為長孔間隙配合；缸上蓋12、缸套14、活塞套15、缸下蓋24和密封環(huán)25等構(gòu)成液壓缸（或氣缸），缸上蓋12外端外沿設(shè)有環(huán)形弧面，環(huán)形弧面能夠?qū)δΣ疗鹗┝ψ饔谩?/p>

2.4 傳感器

傳感器21設(shè)有動圈和靜圈，動圈裝在定子17上，靜圈裝在轉(zhuǎn)子16上。

3 功用及原理

本高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺主要有3項功能，即分度功能、插補(bǔ)功能和車削功能。這些功能的實現(xiàn)主要是基于工作臺2的運(yùn)行，由于工作臺2與轉(zhuǎn)子16固裝在一起，當(dāng)力矩電機(jī)旋轉(zhuǎn)或停止使，工作臺2與轉(zhuǎn)子16一同旋轉(zhuǎn)或停止，對力矩電機(jī)的控制就等于對工作臺2的控制。力矩電機(jī)為伺服電機(jī)，裝有傳感器21，傳感器21將轉(zhuǎn)子16的位置反饋給系統(tǒng)，使系統(tǒng)能夠更加精確地控制力矩電機(jī)。

3.1 分度功能

運(yùn)用分度功能時，對工作臺有三個要求：第一，分度單位小。由于工作臺與力矩電機(jī)直聯(lián)，因此，分度單位就是力矩電機(jī)的最小進(jìn)給單位，這點伺服電機(jī)能夠滿足要求。第二，位置準(zhǔn)確，即要求定位精度高。由于位置傳感器與轉(zhuǎn)子直聯(lián)，這點伺服電機(jī)同樣能夠滿足要求；第三，定位剛度高。由于伺服電機(jī)的靜態(tài)扭矩有限，定位剛度完全靠伺服電機(jī)的靜態(tài)剛度是不夠的，所以，本轉(zhuǎn)臺通過設(shè)置無間隙、大扭矩制動器，滿足了工作臺高定位剛度的要求。

3.2 插補(bǔ)功能

當(dāng)所配機(jī)床有預(yù)先設(shè)留的擴(kuò)軸功能時，將該轉(zhuǎn)臺的伺服電機(jī)并入機(jī)床，與機(jī)床的其他軸一起實現(xiàn)插補(bǔ)功能。

3.3 車削功能

本轉(zhuǎn)臺的工作臺2能夠達(dá)到較高轉(zhuǎn)速，且具有足夠的剛性，如果與立式加工中心配合，立式加工中心的主軸可作為車刀架，實現(xiàn)車削功能，成為“銑車復(fù)合”加工中心。

4 關(guān)鍵創(chuàng)新點

本文介紹的高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺制動器由一組靜摩擦片10和一組動摩擦片11交替疊裝而成，具有無間隙、大扭矩特點，是本高速轉(zhuǎn)臺的關(guān)鍵創(chuàng)新點，制動器如圖4所示。

圖4 制動器示意圖

該制動器的動力由置于轉(zhuǎn)臺腹腔內(nèi)的中空油缸（或氣缸）提供，常規(guī)狀態(tài)下，油缸（或氣缸）右腔進(jìn)油（氣），缸套14右移，缸上蓋12同時右移，活塞套15左移，內(nèi)滑套9同時左移，此時，靜摩擦片10和動摩擦片11處于放松狀態(tài)，制動器未制動。當(dāng)油缸（或氣缸）左腔進(jìn)油（氣）時，缸套14左移，缸上蓋12同時左移，活塞套15右移，內(nèi)滑套9同時右移，此時，缸上蓋12和內(nèi)滑套9上的兩環(huán)形弧面對靜摩擦片10和動摩擦片11夾壓，使制動器制動，制動扭矩如式（1）所示。

式中，TC為制動扭矩；n為動、靜摩擦片的總片數(shù)；Q為對摩擦片的夾壓力；μ為摩擦因數(shù)；Dp為摩擦片平均受力直徑。

由上式可以看出，制動扭矩TC與摩擦片片數(shù)（n-1）成正比，當(dāng)摩擦片片數(shù)增加時，將會產(chǎn)生足夠大的制動扭矩，保證工作臺的定位剛度。

5 結(jié)語

本文介紹的高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺，去除了蝸輪蝸桿副、齒輪副，結(jié)構(gòu)布局緊湊，并且轉(zhuǎn)臺電機(jī)可以與工作臺直聯(lián)，剛性好，精度高，具有車削功能。但由于該設(shè)備為機(jī)電一體化產(chǎn)品，其操作技術(shù)含量及制造成本都比較高。

在高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺設(shè)計中，需要注意摩擦片須選用具有彈性的耐磨材料，厚度控制在0.5～2mm，且摩擦片間隙主要以線速度確定，線速度高是需要提高，但總體應(yīng)控制在0.1～1范圍內(nèi)。最后，力矩電機(jī)設(shè)計須與控制系統(tǒng)和驅(qū)動器要協(xié)調(diào)。