雙伺服工作臺(tái)高定位精度技術(shù)的研究

洪程?hào)|，趙康原

（齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)制造水平的要求不斷提高，數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品也向更快、更精和更復(fù)合的方向發(fā)展，應(yīng)“國(guó)家高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)課題要求（課題編號(hào)2010ZX04001-031，課題名稱HDVTM160×10/8L-MC 高檔立式車銑復(fù)合加工中心），研制了一種1.6m高精度雙伺服驅(qū)動(dòng)的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，工作臺(tái)定位可達(dá)5″。如此高的定位精度要求，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)顯然已無法滿足，而且國(guó)外工作臺(tái)也很難達(dá)到如此高的定位精度。

圖1 工作臺(tái)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

2 工作臺(tái)高定位精度的工藝方案

為了滿足國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題對(duì)該車銑復(fù)合加工中心1.6m 直徑工作臺(tái)高定位精度的要求，齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司的國(guó)家級(jí)技術(shù)中心，在60 多年制造機(jī)床的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)代前沿技術(shù)，經(jīng)過細(xì)致研究提出了技術(shù)方案。

本工作臺(tái)車削主傳動(dòng)與銑削進(jìn)給共用一套傳動(dòng)系統(tǒng)，工作臺(tái)車削主傳動(dòng)轉(zhuǎn)速范圍為2.5～315r/min，工作臺(tái)銑削C 軸轉(zhuǎn)速范圍為0～2r/min，車削主傳動(dòng)的特點(diǎn)是高速低扭矩，銑削進(jìn)給的特點(diǎn)是低速大扭矩，為解決這兩種傳動(dòng)特點(diǎn)兩極分化的問題，采用了雙伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。當(dāng)機(jī)床車削時(shí)，兩電機(jī)為主從控制模式，實(shí)現(xiàn)雙主軸電機(jī)的同步驅(qū)動(dòng)功能；當(dāng)機(jī)床銑削時(shí)，兩電機(jī)由主從控制模式轉(zhuǎn)換為電氣預(yù)載操作模式，實(shí)現(xiàn)雙主軸電機(jī)的消隙功能。

雙C 軸即是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)的過程，也稱同步軸控制。同步軸是在主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間，實(shí)現(xiàn)速度和力矩偶合的過程。從動(dòng)軸跟隨主動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，從而生成一個(gè)平滑力矩控制。建立主從關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)械上的齒輪間隙補(bǔ)償，其原理是主動(dòng)軸和從動(dòng)軸產(chǎn)生一個(gè)張力力矩，用于消除齒輪間隙來完成位置和速度的同步。在西門子840D 系統(tǒng)中同步軸為選項(xiàng)數(shù)據(jù)，要想使用須設(shè)置選項(xiàng)數(shù)據(jù)MD19310。

同步軸主要應(yīng)用于兩個(gè)要求同步移動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。主要技術(shù)內(nèi)容為：

（1）主從關(guān)系中從動(dòng)軸速度與力矩的獲得。主從關(guān)系的速度與力矩配置只能在從動(dòng)軸中進(jìn)行分配主動(dòng)軸軸號(hào)，從而使從動(dòng)軸在主動(dòng)軸中得到速度和力矩及位置偶合。

（2）主動(dòng)軸與從動(dòng)軸的定義。主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的定義是靠參數(shù)實(shí)現(xiàn)的。

（3）激活主從關(guān)系。一旦主從關(guān)系建立后，要想使其激活有兩種方式，但需要配合機(jī)床數(shù)據(jù)一同使用。

如圖1 所示，該技術(shù)方案中，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)由兩套28kW交流主電機(jī)1 驅(qū)動(dòng)，可有效降低齒圈11 模數(shù)，使傳動(dòng)更平穩(wěn)；同時(shí)也是C 軸預(yù)載操作的必須條件。采用2K300二級(jí)變速箱2，可極大簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)可靠性。采用一對(duì)傘齒輪3 和4，可使前端驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)元件水平放置，從而避免影響工件回轉(zhuǎn)加工范圍。工作臺(tái)主軸16 采用短主軸結(jié)構(gòu)，可使定心軸承14 盡量靠近工件，減小力臂，從而提高主軸剛性和工作臺(tái)精度。齒圈11 與工作臺(tái)內(nèi)圈13 把合后一同磨齒，以減小二次裝配對(duì)齒圈磨削加工精度的影響。通過以上各環(huán)節(jié)的細(xì)致控制，從而保證1.6m直徑工作臺(tái)的5″高定位精度。

3 結(jié)語

該雙伺服工作臺(tái)高定位精度技術(shù)已通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)定位精度穩(wěn)定控制在5″以內(nèi)，應(yīng)用本工作臺(tái)的HDVTM160×10/8L-MC 高檔立式車銑復(fù)合加工中心，已于2012 年4 月參加了在南京舉辦的CCMT2012中國(guó)機(jī)床展覽會(huì)，并榮獲展會(huì)最高獎(jiǎng)項(xiàng)“春燕獎(jiǎng)”；并且該雙伺服工作臺(tái)高定位精度技術(shù)已申請(qǐng)國(guó)家專利，專利號(hào)為：ZL201020669684.1。

五軸聯(lián)動(dòng)高檔立式車銑復(fù)合加工中心應(yīng)用加工領(lǐng)域廣泛，尤其適用于復(fù)雜型面的高精度零件加工，如：大型螺旋傘齒輪、整體葉輪、核電發(fā)動(dòng)機(jī)主軸等。以上核心零件若加工不到位，均會(huì)影響到一個(gè)行業(yè)的制造水平，因此五軸聯(lián)動(dòng)高檔立式車銑復(fù)合加工中心已被列入國(guó)家高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備科技重大專項(xiàng)課題。而高定位精度雙伺服工作臺(tái)是此五軸聯(lián)動(dòng)高檔立式車銑復(fù)合加工中心核心基礎(chǔ)部件，其定位精度的提升直接關(guān)乎整機(jī)的加工精度，因此該雙伺服工作臺(tái)高定位精度技術(shù)的研制，對(duì)國(guó)產(chǎn)高檔立式車銑復(fù)合加工中心向更快、更精和更復(fù)合的方向發(fā)展提供了有力支持。