數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計

李立強 姜 輝

(齊重數(shù)控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺是能源、電力、礦山、造船、重型機械等大型工件加工的理想輔助設(shè)備，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺與數(shù)控落地式銑鏜床結(jié)合使用可進行工件的分度和切削旋轉(zhuǎn)，利用數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的直線運動可以擴大數(shù)控落地式銑鏜床的加工范圍，減少工件裝卡次數(shù)，提高工件的加工效率和精度，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺可以獨立使用，用作檢驗平臺等。

現(xiàn)有用戶需求一臺最大承重在160 t 以上的高精度數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，主要用于加工礦山機械設(shè)備的轉(zhuǎn)筒零件。轉(zhuǎn)筒零件的直徑范圍為φ7～16 m，直徑小于9 m 的轉(zhuǎn)筒零件件一般由二瓣分件組成，直徑超過9 m的轉(zhuǎn)筒零件一般由三瓣分件組成，其中直徑φ16 m 轉(zhuǎn)筒零件的一瓣分件最大重量約120 t，轉(zhuǎn)筒零件瓣狀分件的輔助卡緊裝置最大重量約為40 t，在加工轉(zhuǎn)筒零件瓣狀分件時，需將轉(zhuǎn)筒零件瓣狀分件座落在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺上，并使用專用工裝夾具安裝找正轉(zhuǎn)筒零件，使用數(shù)控落地銑鏜床加工轉(zhuǎn)筒零件瓣狀分件兩端的結(jié)合面和結(jié)合面上的通孔、反劃沉孔;以及加工轉(zhuǎn)筒零件瓣狀分件筒壁上有精度要求的多個直孔和斜孔等工序。用戶希望通過使用數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的精確分度功能，在一次裝卡找正轉(zhuǎn)筒零件瓣狀分件后，將上述加工工序全部加工完成，用戶需求本數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的主要目的，是希望通過使用數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺來配合數(shù)控落地銑鏜床，提高轉(zhuǎn)筒零件瓣狀分件的加工效率和精度，提高轉(zhuǎn)筒零件瓣狀分件一次加工的合格率，降低轉(zhuǎn)筒零件瓣狀分件的返修率。在轉(zhuǎn)筒零件加工過程中，用戶要求盡可能地避免轉(zhuǎn)筒零件的二次裝卡找正，盡可能地降低工人的勞動強度。

目前，使用傳統(tǒng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺加工轉(zhuǎn)筒零件瓣狀分件的合格率不高，其主要原因是傳統(tǒng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺B 軸回轉(zhuǎn)傳動精度不高。目前，傳統(tǒng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺B 軸回轉(zhuǎn)傳動結(jié)構(gòu)(見圖1c)一般采用伺服電動機經(jīng)過多對齒輪傳動降速后驅(qū)動雙齒輪、大齒圈的傳動結(jié)構(gòu)，由于B 軸傳動鏈過長、傳動軸數(shù)量過多，并且在消隙封閉傳動鏈之外，電動機軸與Ⅱ軸之間的齒輪嚙合間隙沒有被消除掉，使得傳統(tǒng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的分度精度不高。尤其是使用傳統(tǒng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺加工直徑在φ9～16 m 的轉(zhuǎn)筒零件瓣狀分件時，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的分度精度誤差被放大，轉(zhuǎn)筒零件瓣狀分件兩端結(jié)合面的加工精度經(jīng)常超差，造成轉(zhuǎn)筒零件組裝后的圓柱度超差，轉(zhuǎn)筒零件組裝后成橢圓形，使轉(zhuǎn)筒零件瓣狀分件的正常加工余量，難以滿足轉(zhuǎn)筒零件總成后內(nèi)孔和外圓柱面的加工需要，經(jīng)常出現(xiàn)轉(zhuǎn)筒零件瓣狀分件返修結(jié)合面，并重新裝配成總成件的情況。

為了解決上述難題，筆者公司對傳統(tǒng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)傳動結(jié)構(gòu)進行了技術(shù)改進，在使用機械消隙的雙齒輪、齒圈傳動結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將消隙傳動鏈之外的電動機軸與Ⅱ軸之間的齒輪傳動結(jié)構(gòu)，改進為消隙的雙導(dǎo)程蝸桿(見圖1b)、蝸輪傳動結(jié)構(gòu)。雙導(dǎo)程蝸桿傳動與普通蝸桿傳動的區(qū)別在于，蝸桿的左右齒面具有不等的導(dǎo)程，而同側(cè)齒面的導(dǎo)程相等，因而這種蝸桿的軸向齒厚，沿其軸線從一端到另一端按比例增大或減小，但是，與它嚙合的蝸輪所有齒的齒厚均相等，因此當蝸桿沿軸線作移動時，可以改變蝸桿和蝸輪之間的嚙合間隙。在雙導(dǎo)程蝸桿與蝸輪有嚙合間隙時，根據(jù)雙導(dǎo)程蝸桿與蝸輪的實測嚙合間隙值，相應(yīng)調(diào)整雙導(dǎo)程蝸桿傳動結(jié)構(gòu)示意圖中調(diào)整墊19 的厚度值，使雙導(dǎo)程蝸桿20 向齒厚減小方向移動，使與蝸輪嚙合區(qū)域的蝸桿齒厚增加，蝸桿齒厚的增加量與雙導(dǎo)程蝸桿與蝸輪的實測嚙合間隙值相等，從而達到了消除雙導(dǎo)程蝸桿、蝸輪嚙合間隙的目的。該消隙結(jié)構(gòu)調(diào)整簡單、操作方便。

1 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)介紹

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺主要由床身、滑座、工作臺、主軸組件、滑座直線進給裝置、滑座直線運動控制裝置、工作臺回轉(zhuǎn)進給裝置、工作臺卡緊裝置、滑座拖鏈、滑座直線反饋裝置、工作臺回轉(zhuǎn)運動反饋裝置、冷卻回收裝置、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成。

1.1 床身

在床身與滑座之間使用整體四導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌跨距3500 mm，床身外側(cè)的兩條導(dǎo)軌均使用雙筋板支撐導(dǎo)軌，每一條承重筋板均有一排地腳墊鐵承重，位于床身中間的兩條導(dǎo)軌均使用單筋板支撐、單排地腳墊鐵承重。整體四導(dǎo)軌床身共使用6 排地腳墊鐵，9 m 長床身上共使用了104 塊調(diào)整墊鐵。床身的地腳墊鐵數(shù)量多、密度大，床身的承載能力大、基礎(chǔ)剛度高、精度保持性好。床身設(shè)置有回油裝置，與回轉(zhuǎn)工作臺液壓系統(tǒng)回油管路聯(lián)接，使工作臺的液壓油可以循環(huán)使用，保證了數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺液壓系統(tǒng)的正常工作。

1.2 滑座直線進給裝置

在床身中間安裝有滑座直線進給裝置，該裝置使用交流伺服電動機驅(qū)動，通過減速器降速后直驅(qū)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠螺母帶動滑座進行直線運動。滾珠絲杠兩端分別使用一套高精度組合軸承進行定位，兩套高精度組合軸承共同承受滾珠絲杠的徑向和軸向載荷，與傳統(tǒng)的雙推對單推的軸承定位結(jié)構(gòu)，即三套推力圓柱滾子軸承和兩套滾針軸承組合使用，共五套軸承定位滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)相比，僅使用兩套組合軸承定位的滾珠絲杠結(jié)構(gòu)更加簡單、合理，零件和軸承數(shù)量更少，機加和裝配的工藝性更好，滾珠絲杠的精度更高，精度保持性更好。

在床身中間安裝有滑座直線反饋裝置，該裝置主要由直線光柵尺組成，滑座在床身上的實際位置信號由直線光柵尺反饋給數(shù)控系統(tǒng)，使工作臺V 軸直線運動(見圖1d)形成閉環(huán)控制，提高了數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺直線運動的數(shù)控定位精度。

1.3 滑座

滑座座落在床身上，滑座沿床身導(dǎo)軌面水平移動，滑座與床身之間有四條靜壓導(dǎo)軌，通過滑座下壓板上的靜壓導(dǎo)軌板對滑座施加適當載荷進行預(yù)緊，滑座下壓板上的靜壓導(dǎo)軌與床身靜壓導(dǎo)軌形成閉式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)?；现糜泄ぷ髋_，滑座與工作臺之間使用環(huán)形靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，環(huán)形靜壓導(dǎo)軌可以實現(xiàn)工作臺的精確定位和承重，保證工作臺低速時無爬行現(xiàn)象，工作臺即使有偏心載荷，也能使工作臺保持良好的幾何精度。

1.4 工作臺回轉(zhuǎn)進給裝置

工作臺回轉(zhuǎn)運動由交流伺服電動機驅(qū)動雙導(dǎo)程蝸桿、蝸輪，通過齒輪降速后帶動雙齒輪與工作臺大齒圈嚙合的傳動結(jié)構(gòu)。雙導(dǎo)程蝸桿、蝸輪和雙齒輪齒圈均為機械消隙傳動結(jié)構(gòu)，工作臺B 軸回轉(zhuǎn)進給裝置的傳動鏈短、傳動軸數(shù)量少，傳動精度高，精度保持性好。

1.5 滑座直線運動控制裝置

滑座上設(shè)有行程及位置控制開關(guān)，撞塊安裝在床身上，滑座直線運動控制裝置的主要功能有:工作臺參考點、滑座后減速、滑座后極限、滑座前減速、滑座前極限、工作臺前禁止回轉(zhuǎn)功能控制。在回轉(zhuǎn)工作臺移至靠近主機的區(qū)域內(nèi)時，前禁止回轉(zhuǎn)開關(guān)被壓合，數(shù)控系統(tǒng)控制回轉(zhuǎn)工作臺在此位置向前的行程內(nèi)不得回轉(zhuǎn)，即使在人為誤操作工作臺回轉(zhuǎn)按鈕時，也可以避免工作臺回轉(zhuǎn)運動的啟動，從而避免了工作臺的4 個長對角與主機碰撞事故的發(fā)生。

1.6 滑座和工作臺的卡緊裝置

滑座上有工作臺的直線卡緊和回轉(zhuǎn)卡緊共兩種卡緊裝置，工作臺直線卡緊使用固定在滑座四角處的四套油缸卡緊，碟形彈簧放松的結(jié)構(gòu)，并由數(shù)控系統(tǒng)控制，即滑座移動到位置后，油缸自動卡緊滑座體，卡緊動作可靠。在滑座需要移動時，必需在油缸液壓油的放松壓力達到規(guī)定值后，工作臺回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動電動機才能起動，進行工作臺的回轉(zhuǎn)運動。

工作臺的回轉(zhuǎn)卡緊裝置(見圖1e)使用液壓卡緊和液壓放松的結(jié)構(gòu)。該裝置安裝在滑座上，卡緊時油缸驅(qū)動拉桿將卡緊體中的卡緊塊向內(nèi)運動，卡緊塊卡緊工作臺的環(huán)形槽，卡緊塊的材料為耐磨青銅，需要放松工作臺時，油缸反向運動可松開拉桿，卡緊塊由于自身彈性而向外放松。為了加大卡緊塊與工作臺環(huán)形槽的接觸面積，兩個卡緊塊的表面上需修整成與工作臺環(huán)形槽直徑相同的圓弧形。另外，通過電氣開關(guān)控制，使工作臺的回轉(zhuǎn)運動和回轉(zhuǎn)卡緊動作互鎖，保證在工作臺的回轉(zhuǎn)卡緊裝置和工作臺的回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置不能同時處于工作狀態(tài)。

1.7 工作臺的定位裝置

工作臺設(shè)置有4 ×90°的精確定位裝置，當工作臺回轉(zhuǎn)到4 個90°位置時，電氣開關(guān)發(fā)出工作臺回轉(zhuǎn)到位信號，通過數(shù)控系統(tǒng)控制，安裝在滑座體上的液壓油缸下腔來油，定位鍵向上運動插入工作臺定位槽中，使工作臺被精確定位，此時工作臺禁止回轉(zhuǎn)電氣開關(guān)壓合，控制工作臺的回轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機不能被啟動。當工作臺需要旋轉(zhuǎn)時，需按下按鈕站上工作臺放松按鈕，數(shù)控系統(tǒng)控制安裝在滑座體上的液壓油缸上腔來油，定位鍵向下運動退出工作臺的定位槽，此時工作臺禁止回轉(zhuǎn)電氣開關(guān)脫開，工作臺的回轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機可以正常啟動、工作。

1.8 工作臺

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺使用一套高精度雙列圓柱滾子軸承定心，保證工作臺具有非常高的徑向跳動精度，使用一套推力滾子軸承對工作臺施加一定的預(yù)緊力，提高工作臺的軸向剛度，保證切削加工工件時，工作臺具有足夠的抗顛覆力矩，從而保證了工作臺具有非常高的端面跳動精度。工作臺上部裝有圓光柵，對工作臺的回轉(zhuǎn)運動進行位置檢測，使工作臺的回轉(zhuǎn)運動形成閉環(huán)控制，保證工作臺具有非常高的分度定位精度?；剞D(zhuǎn)工作臺中間有已加工好的高精度定心孔，與工作臺回轉(zhuǎn)中心線同軸，可用于工件的安裝、找正。

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺水平運動V 軸、回轉(zhuǎn)運動B 軸使用靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)工作臺準確定位無爬行現(xiàn)象，即使有偏心載荷，也能保持良好的幾何精度。使用靜壓導(dǎo)軌的技術(shù)難點是需要一套穩(wěn)定可靠的靜壓控制系統(tǒng)。

2 結(jié)語

通過使用雙導(dǎo)程蝸桿蝸輪消隙結(jié)構(gòu)，徹底消除了數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺B 軸回轉(zhuǎn)傳動鏈中的間隙環(huán)節(jié)，使工作臺回轉(zhuǎn)傳動鏈全部使用消隙結(jié)構(gòu)，且在滿足原傳動鏈降速比的情況下，減少了傳動軸的數(shù)量，故大大提高了數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)傳動B 軸的定位精度，床身使用整體四導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，工作臺的直線運動和回轉(zhuǎn)運動均使用靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，滿足了礦山機械大型轉(zhuǎn)筒零件瓣狀分件加工時，工作臺最大承重160 t 的實際需要。