大型直驅(qū)靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)的分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫淵濤，楊建璽，崔鳳奎，王東寅

(河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003)

隨著我國(guó)裝備制造業(yè)的迅速發(fā)展，零件形狀的復(fù)雜程度及精度要求也越來(lái)越高，生產(chǎn)周期也越來(lái)越短，傳統(tǒng)的加工設(shè)備很難再適應(yīng)現(xiàn)代裝備制造業(yè)多樣化、柔性化與復(fù)雜零件的高效率、高精度的加工要求，因此數(shù)控機(jī)床正朝著高速、高精度多軸聯(lián)動(dòng)的方向發(fā)展。其中大型高精度數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是大型數(shù)控機(jī)床多軸聯(lián)動(dòng)的關(guān)鍵部件，因此對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)是各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)，它涉及到軍工、精密機(jī)械、礦山機(jī)械、風(fēng)力發(fā)電等行業(yè)的發(fā)展。盡管近年來(lái)我國(guó)在大型機(jī)床的研究與開(kāi)發(fā)方面取得了一些可喜的成績(jī)，但對(duì)于一些關(guān)鍵零部件如大型高精度直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)及控制系統(tǒng)的研究及應(yīng)用與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定差距。

針對(duì)上述大型精密旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)發(fā)展的現(xiàn)狀，作者對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的傳動(dòng)方式、承載形式和轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度的檢測(cè)方法等一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)的種類進(jìn)行比較，最終選用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)作為大型精密轉(zhuǎn)臺(tái)的傳動(dòng)方式、靜壓導(dǎo)軌作為大型精密轉(zhuǎn)臺(tái)的承載方式、靜壓向心軸承作為大型精密轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸的支承方式、磁柵尺作為大型精密轉(zhuǎn)臺(tái)角度測(cè)量與反饋控制方式，給出了一種大型精密轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用于立車、滾齒機(jī)、加工中心等機(jī)床上。

1 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式

直驅(qū) (Direct Drive)電機(jī)技術(shù)是指用一種新型電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)，省掉了中間一系列的傳動(dòng)環(huán)節(jié)。它一般分為直接驅(qū)動(dòng)部件做直線運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)部件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)［1］。力矩電機(jī) (DDR)是在20世紀(jì)50年代初期就被提出，但由于當(dāng)時(shí)使用高速伺服電動(dòng)機(jī)再經(jīng)過(guò)齒輪等減速機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載已經(jīng)能夠滿足要求，再加上受當(dāng)時(shí)電機(jī)控制技術(shù)的限制，致使力矩電機(jī)沒(méi)有得到很好的應(yīng)用與發(fā)展。直到在20世紀(jì)90年代初，國(guó)際上才開(kāi)始應(yīng)用，現(xiàn)已經(jīng)進(jìn)入廣泛應(yīng)用階段。

傳統(tǒng)大型機(jī)床的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)是由電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)力，并通過(guò)蝸輪蝸桿將動(dòng)力放大，從而驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)。這種驅(qū)動(dòng)方式的缺點(diǎn)是傳動(dòng)鏈比較長(zhǎng)，傳動(dòng)累積誤差也比較大，雖有較好的靜態(tài)剛度，但這種驅(qū)動(dòng)方式在完成啟動(dòng)、加速、減速、反轉(zhuǎn)及停車等運(yùn)動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生較大的彈性變形、摩擦和反向間隙等，這些會(huì)造成工作臺(tái)振動(dòng)、動(dòng)態(tài)剛度差，從而使轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)干擾的抑制能力變差［2］。另外傳統(tǒng)的大型旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)為了在精度上、速度上取得進(jìn)步，不得不付出更高的制造成本，而且成本的提高和性能的提高并不成比例。力矩電機(jī)作為近十年來(lái)世界范圍內(nèi)新興的傳動(dòng)技術(shù)，具有傳統(tǒng)傳動(dòng)無(wú)法比擬的優(yōu)越性:首先應(yīng)用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作臺(tái)的線速度可以提升到150 m/min以上，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速可以達(dá)到每分鐘幾百轉(zhuǎn)，從而使生產(chǎn)效率提高10倍以上;其次，在精度上，力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以使工作臺(tái)輕松地實(shí)現(xiàn)角秒級(jí)的靈敏度，而傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)大多只能實(shí)現(xiàn)角分級(jí)的靈敏度，力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)能使工作臺(tái)的精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí);再次，在轉(zhuǎn)臺(tái)壽命方面，力矩電機(jī)直接省掉了中間的機(jī)械傳動(dòng)部分，從而可以減少磨損，減少轉(zhuǎn)臺(tái)的維護(hù)，提高轉(zhuǎn)臺(tái)的使用壽命，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)降低了成本。

2 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的承載方式

旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的承載方式主要分為:普通的滑動(dòng)導(dǎo)軌承載、滾動(dòng)軸承作為回轉(zhuǎn)的導(dǎo)軌承載、液體靜壓導(dǎo)軌承載、氣浮導(dǎo)軌承載等形式。普通的滑動(dòng)導(dǎo)軌又分為金屬直接對(duì)金屬或者金屬對(duì)貼塑導(dǎo)軌和噴塑導(dǎo)軌之別:金屬直接對(duì)金屬的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)由于摩擦力比較大，所需的驅(qū)動(dòng)力矩也比較大、發(fā)熱、爬行比較嚴(yán)重，從而使工作臺(tái)壽命比較短，功率消耗大，效率比較低，所以現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床基本上已不再采用;貼塑導(dǎo)軌或噴塑導(dǎo)軌在機(jī)床的局部領(lǐng)域仍有應(yīng)用，不過(guò)摩擦因數(shù)約為0.04［3］。滾動(dòng)軸承作為回轉(zhuǎn)的導(dǎo)軌摩擦因數(shù)約為0.005，但其成本較高，抗振動(dòng)沖擊的能力比較差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜［4］，大直徑滾動(dòng)軸承dn值比較低，從而使大直徑工作臺(tái)的轉(zhuǎn)速受到了較大的限制［5］。靜壓導(dǎo)軌又有卸荷、開(kāi)式、閉式導(dǎo)軌3種結(jié)構(gòu)，這3種結(jié)構(gòu)又各有不同的特點(diǎn):其中卸荷開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌在大型機(jī)床上有它的缺陷，因?yàn)?0%左右的載荷都集中在幾個(gè)卸荷點(diǎn)上，容易使導(dǎo)軌產(chǎn)生變形，同時(shí)在作低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和定位調(diào)整時(shí)，它不能夠滿足數(shù)控機(jī)床控制要求，無(wú)法消除機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)的爬行。開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是使用壽命長(zhǎng)，對(duì)導(dǎo)軌材料的要求不高;摩擦因數(shù)比較小，約為0.000 5，屬于純液體摩擦，并且低速下不爬行，速度和載荷變化對(duì)油膜剛度影響也比較小，工作比較穩(wěn)定;與滾動(dòng)導(dǎo)軌相比，抗振性能好［6］。閉式靜壓導(dǎo)軌不但具有開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌的一系列優(yōu)點(diǎn)，而且精度和剛性較開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌有所提高，特別是抗偏載的能力較開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌有較大提高，多用在大型精密重載機(jī)床上。氣浮導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是摩擦因數(shù)和發(fā)熱量均很小、幾乎無(wú)磨損、精度很高、不存在污染和輻射等優(yōu)點(diǎn)，但靜壓氣浮導(dǎo)軌最致命的缺點(diǎn)為承載能力小、剛度和穩(wěn)定性比較差以及制造安裝精度要求高等，常用在高速、高精度以及小型低載的場(chǎng)合，這些缺點(diǎn)限制了它在大型重載場(chǎng)合的使用。

3 轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度的檢測(cè)方法

角度測(cè)量是測(cè)量技術(shù)的重要組成部分，迄今為止各種角度測(cè)量手段發(fā)展已較為完備，并且這些手段的綜合運(yùn)用使測(cè)量精度達(dá)到了很高的水平。角度測(cè)量技術(shù)可以分為靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)煞N，對(duì)于靜態(tài)測(cè)量技術(shù)來(lái)說(shuō)，目前的主要任務(wù)集中在如何提高測(cè)量精度和測(cè)量分辨力上。角度測(cè)量技術(shù)中最早研究的是機(jī)械式測(cè)角技術(shù)，一般為多齒盤(pán)分度，角度測(cè)量范圍根據(jù)齒盤(pán)的齒數(shù)而定，所以測(cè)量精度和測(cè)量分辨力比較低?，F(xiàn)在一般多用電磁式和光學(xué)測(cè)角技術(shù)，光學(xué)測(cè)角方法主要有圓光柵測(cè)角法、光學(xué)內(nèi)反射小角度測(cè)角法、激光干涉測(cè)角法、環(huán)形激光測(cè)角法等，圓光柵測(cè)角法應(yīng)用得雖然比較廣泛，但其與轉(zhuǎn)臺(tái)的對(duì)心準(zhǔn)確度要求比較高，使用環(huán)境比較苛刻，且大直徑圓光柵制作較為困難，價(jià)格昂貴，并不適合大型轉(zhuǎn)臺(tái)的分度與測(cè)量;光學(xué)內(nèi)反射小角度測(cè)角法測(cè)量范圍很小，一般用于小角度測(cè)量;激光干涉測(cè)角法所做的儀器體積龐大，并不適合現(xiàn)場(chǎng)使用;環(huán)形激光測(cè)角法只能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，且對(duì)測(cè)量條件要求比較高［7］。電磁式測(cè)角法主要分為旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器測(cè)角法和圓磁柵測(cè)角法，旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器輸出信號(hào)比較弱，且信號(hào)處理麻煩，配套用于信號(hào)處理的電子設(shè)備 (一般為數(shù)顯表)比較復(fù)雜，價(jià)格比較高;磁柵安裝簡(jiǎn)易，可以將直線磁柵直接貼在工作臺(tái)外徑圓周方向從而把其當(dāng)作圓磁柵用，這些圓磁柵的分度精度與工作臺(tái)直徑成正比，即工作臺(tái)直徑越大，磁柵的分度精度越高，并且磁柵允許有較大的安裝誤差，維護(hù)方便，可用于大型機(jī)床工作臺(tái)惡劣的工作環(huán)境。

4 大型直驅(qū)靜壓工作臺(tái)結(jié)構(gòu)與工作原理

在圖1中，力矩電機(jī)為無(wú)框架式無(wú)刷直流力矩電機(jī)，其定子4通過(guò)螺釘和工作臺(tái)底座15相連，轉(zhuǎn)子8通過(guò)螺釘和法蘭13相連，法蘭13又通過(guò)螺釘和工作臺(tái)2相連，這樣在力矩電機(jī)旋轉(zhuǎn)的情況下直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn);在恒壓供油的情況下，工作臺(tái)底座上均勻分布的靜壓導(dǎo)軌油腔3和靜壓向心軸承上均勻分布的靜壓油腔12組成類似閉式靜壓導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)，從而使工作臺(tái)上浮一定高度;靜壓向心軸承結(jié)構(gòu)是:靜壓向心軸承9通過(guò)螺釘14固定在工作臺(tái)底座上，靜壓向心軸承油腔11均勻分布在外圓柱面上，進(jìn)油管均勻分布在靜壓軸承內(nèi)孔側(cè)壁上，在恒壓供油的情況下，使法蘭13內(nèi)圓偏離靜壓向心軸承9外圓一個(gè)油膜厚度;磁柵的固定尺19固定在工作臺(tái)外圓周凹槽面上，磁柵讀數(shù)頭21通過(guò)螺釘固定在底座上，有磁柵的固定尺19和讀數(shù)頭21組成磁柵測(cè)量系統(tǒng)，并通過(guò)它們的反饋的信息直接控制力矩電機(jī)，從而形成一個(gè)閉環(huán)測(cè)量控制系統(tǒng);防護(hù)罩18可以通過(guò)鉚釘17固定在工作臺(tái)外圓周面 上，可以對(duì)磁柵測(cè)量系統(tǒng)起保護(hù)作用。

圖1 大型直驅(qū)靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)剖面視圖及磁柵安裝位置Ⅰ處的局部放大圖

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)大型精密轉(zhuǎn)臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)的分析，最終選取力矩電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)方式、閉環(huán)靜壓導(dǎo)軌作為承載形式、靜壓向心軸承作為工作臺(tái)中心軸的支承方式、磁柵尺作為旋轉(zhuǎn)角度的檢測(cè)手段 (磁柵尺反饋的信息直接控制工作臺(tái)的分度與定位)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)大型直驅(qū)靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)，此轉(zhuǎn)臺(tái)與傳統(tǒng)的機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)相比有大量?jī)?yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于大型滾齒機(jī)、立車、加工中心等數(shù)控機(jī)床。

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