回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和圓周進(jìn)給

張 曙 張炳生 衛(wèi)美紅

1 圓周進(jìn)給裝置是多軸加工的關(guān)鍵

機(jī)床在加工復(fù)雜形狀表面時(shí)，為了提高加工效率、保證加工質(zhì)量和防止干涉，除了3個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系X、Y和Z軸的進(jìn)給外，還需有控制刀具與工件相對(duì)姿態(tài)的回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系A(chǔ)、B或C軸的圓周進(jìn)給，即第4軸和第5軸，加上3個(gè)直線軸，構(gòu)成5軸聯(lián)動(dòng)加工，如圖1所示。

圖1 5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工示意圖

第4和第5軸的圓周進(jìn)給是5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一，它可以是AC聯(lián)動(dòng)、AB聯(lián)動(dòng)或BC聯(lián)動(dòng)。這兩種圓周進(jìn)給可由安裝工件的工作臺(tái)完成，也可以由裝有刀具的主軸部件來(lái)完成，或者由兩者共同完成。

本文闡述高端數(shù)控機(jī)床的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)及其圓周進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。工作臺(tái)的圓周進(jìn)給可以借助伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)或集成的電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。具有機(jī)械傳動(dòng)的圓周進(jìn)給驅(qū)動(dòng)由電伺服驅(qū)動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)和角度編碼器位置反饋3部分組成。

2 圓周進(jìn)給的機(jī)械傳動(dòng)

目前應(yīng)用于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有：①蝸輪蝸桿副，②傘齒輪副，③滾珠傳動(dòng)副，④滾柱凸輪副。

2.1 蝸輪蝸桿副

蝸輪蝸桿副是傳統(tǒng)的分度和圓周進(jìn)給機(jī)構(gòu)，廣泛用于鏜銑床和齒輪加工機(jī)床，其典型結(jié)構(gòu)和外觀如圖2所示。

圖2 蝸輪蝸桿傳動(dòng)的工作臺(tái)

用于數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)副通常需經(jīng)熱處理，以減少較高的轉(zhuǎn)速和加減速所帶來(lái)的磨損。大多數(shù)制造商將蝸輪蝸桿傳動(dòng)副的表面淬硬到45-60HRC。硬度低的蝸輪容易磨損，硬度高的蝸桿容易斷裂或刮傷蝸輪齒面和咬死，往往難以兼顧。

蝸輪蝸桿傳動(dòng)副的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)可以作為分度裝置，對(duì)于100 mm到500 mm直徑的工作臺(tái)分度精度一般為±20″左右。對(duì)于1 000 mm以上的大直徑回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，分度精度需要提高到±15″，以減小圓周上的誤差。當(dāng)工作臺(tái)處于傾斜工作位置時(shí)，由于附加載荷的影響，其分度和位置精度將明顯下降。

大多數(shù)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍有限，只有部分蝸輪齒處于經(jīng)常工作狀態(tài)，從而造成磨損的不均勻。在使用一定時(shí)間后，可將蝸輪轉(zhuǎn)過(guò)180°重新安裝，使用另一半蝸輪齒。為了提高回轉(zhuǎn)精度，可在蝸輪軸安裝角度編碼器（圓光柵或磁柵），實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

許多機(jī)床部件供應(yīng)商，如德國(guó)的Lehmann公司、美國(guó)的Hass公司和日本的Nikken公司等都提供基于蝸輪蝸桿傳動(dòng)副的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，有不同的規(guī)格和配置形式：例如垂直回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，BC軸雙擺工作臺(tái)、AC軸雙擺工作臺(tái)，以及多工位、多軸工作臺(tái)等，如圖3所示。

圖3 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的配置形式

蝸輪蝸桿傳動(dòng)存在背隙，消除背隙對(duì)圓周軌跡精度的影響是設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的關(guān)鍵。消除蝸輪蝸桿副背隙的方法有3種：①雙蝸桿同步驅(qū)動(dòng)；②變螺距蝸桿驅(qū)動(dòng)；③浮動(dòng)蝸桿驅(qū)動(dòng)。

采用小壓力前角（10°左右）浮動(dòng)蝸桿消除背隙的原理和實(shí)例如圖4所示。

圖4 浮動(dòng)蝸桿消除背隙的原理和實(shí)例

對(duì)消除蝸輪蝸桿副傳動(dòng)背隙要求不太高時(shí)，可采用雙螺距蝸桿，通過(guò)移動(dòng)蝸桿的軸向位置來(lái)調(diào)整反向背隙。這種蝸桿的左右兩側(cè)齒面具有不同的螺距，因此蝸桿的齒厚從頭到尾逐漸增厚或減薄。但由于齒廓同一側(cè)的螺距是相同的，所以仍可保持正常嚙合。其缺點(diǎn)是隨著蝸桿齒厚的減薄，蝸桿齒的強(qiáng)度降低。

雙蝸桿同步驅(qū)動(dòng)是在蝸輪的180°位置處分別配置一個(gè)蝸桿，中間以差動(dòng)輪系連接，使其保持同步，剛性好，但對(duì)輪系傳動(dòng)精度要求較高，否則同樣會(huì)出現(xiàn)背隙。采用兩個(gè)同步伺服電動(dòng)機(jī)的方案效果更好。

2.2 滾柱驅(qū)動(dòng)

滾柱驅(qū)動(dòng)（Roller Drive）是一種新型的無(wú)間隙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可用于構(gòu)建新型數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。例如，日本三共機(jī)械（Sankyo Seisakusho）公司提供的RA系列精密驅(qū)動(dòng)單元由具有弧面凸輪的輸入軸和圓周上均勻分布有若干個(gè)從動(dòng)滾柱元件的轉(zhuǎn)輪組成，如圖5所示。

圖5 滾柱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理

從圖中可見，工作臺(tái)與轉(zhuǎn)輪是固定在一起的，輸入軸上的凸輪槽表面與轉(zhuǎn)輪上的從動(dòng)滾柱元件外環(huán)表面呈線接觸嚙合，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪（即工作臺(tái)）轉(zhuǎn)動(dòng)。

從動(dòng)滾柱元件的支柱端被冷壓配到轉(zhuǎn)輪的圓周分布孔中，由于中間有滾針軸承，其外環(huán)在嚙合過(guò)程中是旋轉(zhuǎn)的，將嚙合過(guò)程的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，提高了傳動(dòng)效率，明顯減少了磨損。轉(zhuǎn)輪與殼體之間安裝有交叉配置的滾柱作為承受軸向和徑向載荷支撐軸承，以保證其高剛度和高精度的回轉(zhuǎn)。

調(diào)整輸入軸（弧面凸輪）與輸出軸（轉(zhuǎn)輪）的軸間距，就可以消除傳動(dòng)間隙或施加預(yù)載荷。

對(duì)比試驗(yàn)表明，滾柱驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能皆明顯高于傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)。兩種不同驅(qū)動(dòng)形式的工作臺(tái)的試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果

對(duì)滾柱驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行性能試驗(yàn)所獲得結(jié)果的曲線如圖6所示。

圖6 滾柱驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的性能

定位精度及其重復(fù)性是機(jī)床檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的項(xiàng)目，在半閉環(huán)的條件下測(cè)量，從測(cè)量結(jié)果看，重復(fù)性很好，誤差具有規(guī)律性，可以設(shè)法補(bǔ)償。

系統(tǒng)的固有頻率響應(yīng)描述了系統(tǒng)的剛度和阻尼性能，剛度和阻尼低，容易發(fā)生顫振。滾柱驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)不僅第一、第二固有頻率較高，而且峰值較低，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能較好。

回轉(zhuǎn)誤差和抖動(dòng)是由于機(jī)構(gòu)的嚙合元件節(jié)徑誤差和沒(méi)有完全嚙合所造成的系統(tǒng)偏差。滾柱驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)誤差正反向基本一致，且與靜態(tài)角度誤差曲線基本重合，沒(méi)有抖動(dòng)。

機(jī)床的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)可能在水平、垂直和傾斜位置工作，且工件形狀各異，存在回轉(zhuǎn)質(zhì)量不平衡的問(wèn)題。滾柱驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)對(duì)質(zhì)量不平衡不敏感，且其所造成的誤差正反向基本一致。

滾柱驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)盡管有諸多優(yōu)點(diǎn)，但元件精度高，工藝性差，制造成本高。

3 直接驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

3.1 直接驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)

采用伺服電動(dòng)機(jī)配合蝸輪蝸桿傳動(dòng)副驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)的缺點(diǎn)是體積大，電主軸和轉(zhuǎn)臺(tái)之間的干涉位置多，導(dǎo)致可用回轉(zhuǎn)半徑小，工件裝夾和機(jī)床操作不便。直接驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是一項(xiàng)新技術(shù)，工作臺(tái)由專門設(shè)計(jì)的力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子與工作臺(tái)主軸直接連接在一起，中間沒(méi)有任何機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖7所示。

直接驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)非常緊湊，動(dòng)態(tài)性能好，慣性小，轉(zhuǎn)速高，除圓周進(jìn)給外，還可用于車削。由于沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)的背隙和磨損問(wèn)題，維修方便，輔以直接測(cè)量系統(tǒng)，可獲得很高的回轉(zhuǎn)精度（約±5"），使用壽命遠(yuǎn)比機(jī)械傳動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)長(zhǎng)。

圖7 直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)和力矩電動(dòng)機(jī)

3.2 直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的類型

直接驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)有不同的配置形式，除水平工作臺(tái)外，還有垂直工作臺(tái)、法蘭式、可傾式、搖籃式和多軸直接驅(qū)動(dòng)等類型，如圖8所示。

圖8 直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的不同配置形式

搖籃式工作臺(tái)為大多數(shù)5軸機(jī)床所采用，其特點(diǎn)是擺動(dòng)耳軸與工作臺(tái)重心偏離。但裝夾工件后，工件與搖籃的合成質(zhì)心與搖籃的回轉(zhuǎn)軸線大體重合，以減小回轉(zhuǎn)所需的扭矩和不平衡質(zhì)量的負(fù)面影響。特別是在專用機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，則可準(zhǔn)確地配置質(zhì)量分布，提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。

日本森精機(jī)（Mori Seiki）公司在其NTX系列車銑復(fù)合機(jī)床上采用B軸直接驅(qū)動(dòng)和NMV系列立式加工中心上采用的直接驅(qū)動(dòng)BC軸雙擺工作臺(tái)（如圖9）。

圖9 直接驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用案例

4 3+2軸的優(yōu)勢(shì)

5軸聯(lián)動(dòng)加工被視為高端數(shù)控機(jī)床的象征，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，編程困難。但是在很多情況下，除了復(fù)雜的曲面，如葉片或復(fù)雜模具外，實(shí)際需要的是5面加工，而非5軸聯(lián)動(dòng)加工，采用3軸加工中心，配備2軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，即3+2軸就可以滿足要求。3+2軸的配置方案設(shè)備占地面積小，能源消耗少，投資僅為5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的75%左右，特別適合中小零件的加工。3+2軸加工方案的綜合優(yōu)勢(shì)如圖10所示。

圖10 3+2軸加工的優(yōu)勢(shì)

一臺(tái)3主軸3坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)加工中心配置Lehmann公司的A軸+3個(gè)C軸的多軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)用于同時(shí)加工3個(gè)零件的案例如圖11所示。由于實(shí)現(xiàn)了多主軸多面加工，生產(chǎn)效率很高，適合于大批量生產(chǎn)。

圖11 高效率的3+2軸加工

5 混合驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

對(duì)于加工超精密的光學(xué)零件、航空航天儀表零件的多軸機(jī)床，往往只需要一定角度范圍內(nèi)的圓周進(jìn)給，而不需要連續(xù)的圓周運(yùn)動(dòng)。針對(duì)這種情況研發(fā)了一種混合驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，其工作原理如圖12所示。

圖12 電、氣混合驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

圖13 混合驅(qū)動(dòng)的原理和主要性能

混合驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)采用電和氣兩種作動(dòng)器同時(shí)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，其工作原理和主要性能如圖13所示。

從圖中可見，電作動(dòng)器采用音圈電動(dòng)機(jī)原理，通有電流的線圈在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生一個(gè)與電流成比例的轉(zhuǎn)角。它具有高響應(yīng)性和無(wú)死區(qū)的優(yōu)點(diǎn)，但力矩小和發(fā)熱。同時(shí)輔以氣作動(dòng)器，借助相反氣腔中的壓力差，提供較大的力矩，且不會(huì)發(fā)熱，但反應(yīng)慢，且控制閥在反向時(shí)有死區(qū)?；旌向?qū)動(dòng)綜合了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是一種新型的高性能回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。

6 結(jié)語(yǔ)和展望

回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是5軸加工中心和復(fù)合加工機(jī)床的關(guān)鍵功能部件。傳統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿傳動(dòng)減速的驅(qū)動(dòng)方法有一定的局限性。若干新的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)正在研發(fā)之中，并已獲得實(shí)際應(yīng)用。

電直接驅(qū)動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)態(tài)性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為高端數(shù)控機(jī)床的首選，但成本問(wèn)題有待進(jìn)一步解決。

3軸聯(lián)動(dòng)加工中心輔以2軸標(biāo)準(zhǔn)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的3+2軸控制方案在許多情況下是高生產(chǎn)率和較低成本的解決方案，值得加以重視。