分度轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)現(xiàn)狀分析與亟待解決的技術(shù)難題

武漢智德立精工制造技術(shù)有限公司　王學(xué)新

分度轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)現(xiàn)狀分析與亟待解決的技術(shù)難題

武漢智德立精工制造技術(shù)有限公司王學(xué)新

分度轉(zhuǎn)臺(tái)、數(shù)控分度回轉(zhuǎn)臺(tái)、轉(zhuǎn)矩電機(jī)、氣動(dòng)、氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)、液壓轉(zhuǎn)臺(tái)作為機(jī)床的重要部件，是確保機(jī)床加工各種精密零件的核心裝備之一，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械零件的加工。隨著社會(huì)的進(jìn)步，技術(shù)的發(fā)展以及高端裝備制造新的市場(chǎng)需求，對(duì)機(jī)械零件的加工精度要求越來(lái)越高?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)領(lǐng)域最大的困惑就是轉(zhuǎn)臺(tái)的分度精度、同心度、平面度等各項(xiàng)精度怎樣滿足高精度機(jī)械零件的加工要求。這個(gè)問(wèn)題也成為當(dāng)前轉(zhuǎn)臺(tái)領(lǐng)域的技術(shù)難題。世界各國(guó)該領(lǐng)域的工程技術(shù)專家，思考設(shè)計(jì)了很多解決方案，但精度提高的效果均不盡人意。

如何解決轉(zhuǎn)臺(tái)的超高精度分度和精準(zhǔn)定位，同時(shí)又能滿足精密機(jī)械零件在加工過(guò)程中確保轉(zhuǎn)臺(tái)不會(huì)產(chǎn)生角度位移和平面度、同心度誤差，成為目前轉(zhuǎn)臺(tái)領(lǐng)域的世界性技術(shù)攻關(guān)難題。本文中，作者首先對(duì)目前全球各種轉(zhuǎn)臺(tái)在高精度分度和精準(zhǔn)定位上的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)技術(shù)分析，而后在此基礎(chǔ)上提出了自己的解決方案，供業(yè)內(nèi)同仁參考。

一、蝸輪蝸桿傳動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)分析

我們先從常規(guī)應(yīng)用中最為廣泛的蝸輪蝸桿傳動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行分析：

（1）目前最常用的轉(zhuǎn)臺(tái)其內(nèi)部傳動(dòng)方式為蝸輪蝸桿傳動(dòng)。由于蝸輪和蝸桿的傳動(dòng)接觸面為滑動(dòng)摩擦，因此摩擦阻力大、傳動(dòng)效率低。由于蝸輪材質(zhì)較軟而蝸桿材質(zhì)硬度大，所以蝸輪極易磨損，從而導(dǎo)致分度誤差越來(lái)越大，再加上蝸輪齒的等分度誤差（也就是公法線誤差），導(dǎo)致分度誤差，所以該型結(jié)構(gòu)傳動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)分度精度不高。

另外，由于蝸輪和蝸桿只能嚙合2.5～3個(gè)齒，且不能使蝸桿螺旋面的兩面與蝸輪齒的兩面同時(shí)緊密嚙合，所以輸出轉(zhuǎn)矩不大，而且反向間隙過(guò)大的問(wèn)題無(wú)法解決。所以容易導(dǎo)致該型轉(zhuǎn)臺(tái)在加工零件時(shí)產(chǎn)生較大的角度偏擺。為了有效控制加工零件時(shí)的角度偏擺，人們想到了用氣動(dòng)和油壓剎車鎖緊輸出端的工作臺(tái)，來(lái)克服加工零件時(shí)的刀具切削力，控制角度偏擺的產(chǎn)生。但在剎車鎖緊時(shí)，由于轉(zhuǎn)臺(tái)本身的反向間隙大，且輸出轉(zhuǎn)矩小，所以剎車鎖緊固然能增大靜止轉(zhuǎn)矩抗衡加工零件時(shí)的切削阻力，但在剎車鎖緊時(shí)必然產(chǎn)生較大的角度位移，導(dǎo)致加工零件在定位時(shí)就已經(jīng)產(chǎn)生了較大誤差。

按照這個(gè)技術(shù)線路，人們?cè)噲D通過(guò)包絡(luò)蝸桿，蝸桿螺旋逐漸增厚（也就是變位蝸桿），或蝸桿徑向偏心可調(diào)等來(lái)克服蝸輪磨損后的精度丟失，但結(jié)果仍然無(wú)法解決超高精密分度的問(wèn)題。而且由于蝸輪和蝸桿材料的不同，其熱脹系數(shù)的差異，引發(fā)長(zhǎng)期使用導(dǎo)致的溫度升高，從而使其分度精度也大大降低。

（2）為了解決以上蝸輪蝸桿傳動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的先天技術(shù)不足問(wèn)題，人們想到了通過(guò)鼠牙齒嚙合的技術(shù)方案。其原理是通過(guò)將鼠牙齒圈固定在轉(zhuǎn)臺(tái)工作臺(tái)底面，另一齒圈固定在轉(zhuǎn)臺(tái)箱體上通過(guò)蝸輪蝸桿帶動(dòng)抬起的工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)分度，然后落下與固定在箱體上的齒圈進(jìn)行上下齒圈嚙合。這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)臺(tái)，其分度精度和重復(fù)精度都很高，也有足夠的靜止轉(zhuǎn)矩抗衡加工刀具的切削阻力。但其最小分度只能是整數(shù)，且在工作臺(tái)通過(guò)液壓頂升，再旋轉(zhuǎn)分度再落下的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生工作臺(tái)平面和中心軸軸心誤差的技術(shù)問(wèn)題，從而使裝夾在工作臺(tái)上的零件的基準(zhǔn)面和軸心不能達(dá)到其精度要求。特別是多面箱體要求面與面上的孔的同心度要求高時(shí)，該型轉(zhuǎn)臺(tái)不能滿足其精度要求。再就是該型轉(zhuǎn)臺(tái)在工作臺(tái)頂升抬起，再旋轉(zhuǎn)分度再落下嚙合上下齒圈時(shí)，由于工作臺(tái)再旋轉(zhuǎn)分度時(shí)所產(chǎn)生的分度誤差，會(huì)導(dǎo)致上下齒圈嚙合時(shí)的對(duì)齒偏離，此時(shí)工作臺(tái)和上齒圈一起落下時(shí)，上齒圈和下齒圈會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)行嚙合、強(qiáng)行摩擦，而齒面磨損導(dǎo)致其分度精度和重復(fù)精度降低。

該型工作臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是分度精度高，且有足夠的靜止轉(zhuǎn)矩克服加工時(shí)刀具的切削阻力，缺點(diǎn)是不能滿足任意分度的要求，在分度過(guò)程中不能有效保證工作臺(tái)基準(zhǔn)面和主軸的同心度。

（3）通過(guò)對(duì)以上兩種形式的轉(zhuǎn)臺(tái)分度精度和定位精度的分析，我們可以看到其滿足高精度零件的加工要求上存在先天不足。光學(xué)專家和數(shù)控專家想到了利用光柵閉環(huán)和計(jì)算機(jī)數(shù)字化處理來(lái)滿足轉(zhuǎn)臺(tái)任意分度精度的技術(shù)問(wèn)題。其實(shí)施方式無(wú)外兩種：一種是在常規(guī)蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)臺(tái)。輸出主軸上加裝圓形光刪，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)施高精度分度；另一種是通過(guò)在力矩電機(jī)主軸上安裝圓形光柵，通過(guò)閉環(huán)反饋位置信號(hào)給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，達(dá)到精準(zhǔn)分度和定位。雖然這兩種形式的解決方案都可達(dá)到分度和定位精度的超精準(zhǔn)，但這兩種形式的解決方案仍然存在分度和重復(fù)定位精準(zhǔn)后怎樣克服剎車鎖緊時(shí)，其精度不發(fā)生改變的技術(shù)問(wèn)題。由于其輸出轉(zhuǎn)矩小，為克服刀具切削和振動(dòng)阻力就必須通過(guò)分度和定位后氣壓或液壓剎車來(lái)鎖緊工作臺(tái)或主軸，但在鎖緊時(shí)就會(huì)產(chǎn)生角度偏擺，從而使原本通過(guò)光柵閉環(huán)系統(tǒng)得來(lái)的精度發(fā)生變化，所以實(shí)際上還是降低了其精度。

另外，光柵的安裝和使用對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)本身的裝配精度和使用環(huán)境要求非常高。例如轉(zhuǎn)臺(tái)在工作過(guò)程中自身會(huì)產(chǎn)生溫升，停機(jī)時(shí)溫度會(huì)下降，在溫度下降的過(guò)程中空氣中的水份就會(huì)帶著灰塵逐漸冷凝在圓形光柵上，從而使圓形光柵閉環(huán)的反饋信息產(chǎn)生較大的不確定性，給系統(tǒng)分度和重復(fù)定位帶來(lái)更大的誤差，最重要的是其精度丟失不可預(yù)見(jiàn)。那么，有圓形光柵閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩電機(jī)情況會(huì)怎么樣呢？雖然轉(zhuǎn)矩電機(jī)沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部分，但其輸出的轉(zhuǎn)矩更小，更要通過(guò)剎車鎖緊來(lái)滿足加工零件所需力矩要求，同樣會(huì)產(chǎn)生鎖緊后角度偏差和光柵受冷凝水霧的影響，使其各項(xiàng)精度降低。

因此，用以上兩種方案同樣不能滿足高精密零件的加工要求。要害問(wèn)題就是光柵受到污染后，其反饋的位置信息的錯(cuò)誤信號(hào)不可預(yù)見(jiàn)，這就會(huì)使加工零件的報(bào)廢率高。

要解決目前轉(zhuǎn)臺(tái)高精度分度和定位的技術(shù)難題，我們認(rèn)為必須首先從機(jī)械傳動(dòng)上找到突破口，并結(jié)合數(shù)控伺服系統(tǒng)才能解決當(dāng)前的困擾。第一，必須解決機(jī)械傳動(dòng)部分的磨損問(wèn)題。第二，機(jī)械傳動(dòng)部分必須滿足強(qiáng)大的輸出轉(zhuǎn)矩，使其足以抗衡其加工零部件時(shí)的刀具切削和振動(dòng)，保證工作臺(tái)不產(chǎn)生角度和平面及同心度的變動(dòng)。第三，機(jī)械傳動(dòng)部分的反向間隙必須盡可能小，最好是零反向間隙。第四，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的嚙合精度誤差達(dá)0.003mm-0.005mm內(nèi)。通過(guò)長(zhǎng)期大量的實(shí)踐證明，轉(zhuǎn)臺(tái)只有有效解決這些機(jī)械的技術(shù)難題，再配合伺服數(shù)控系統(tǒng)，才能既實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)分度精度和重復(fù)定位精度超精密的要求，又能滿足高精密零件的加工需求。否則轉(zhuǎn)臺(tái)精度再高也只能用于檢測(cè)，而不能應(yīng)用在實(shí)際的高精密加工中。

下面簡(jiǎn)要介紹作者所在公司是如何解決這些相關(guān)技術(shù)難題的。我們的解決方案是：一種空間共軌傳動(dòng)技術(shù)及其傳動(dòng)裝置的創(chuàng)新發(fā)明。

二、Wg系列回轉(zhuǎn)臺(tái)原理簡(jiǎn)介

Wg系列回轉(zhuǎn)臺(tái)采用兩級(jí)傳動(dòng)，總傳動(dòng)比為1∶180，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為有別于傳統(tǒng)蝸輪蝸桿的新型蝸輪蝸桿傳動(dòng)件（如圖1所示）。新型蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)用軌道共軛原理，蝸桿軌道與蝸輪上傳動(dòng)銷運(yùn)動(dòng)軌跡共軛，實(shí)現(xiàn)蝸桿軌道槽面與蝸輪傳動(dòng)銷線-線接觸，兩傳動(dòng)部件之間作用為滾動(dòng)摩擦。

除了采用全新傳動(dòng)機(jī)構(gòu)外，Wg系列回轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)用了自主設(shè)計(jì)的預(yù)緊處理，以消除傳動(dòng)過(guò)程中存在的極小間隙。如圖2所示，對(duì)兩根一級(jí)（以傳動(dòng)等級(jí)命名）新型蝸桿分別施加不同方向的旋轉(zhuǎn)力矩，通過(guò)一級(jí)新型蝸輪的傳遞，使得作為一級(jí)新型蝸輪主軸的螺旋軌道呈軸對(duì)稱的兩根二級(jí)新型蝸桿旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向相反。在兩根二級(jí)新型蝸桿同時(shí)不同向旋轉(zhuǎn)時(shí)，蝸桿軌道槽面會(huì)與二級(jí)新型凸輪傳動(dòng)銷緊密接觸，實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙線-線接觸滾動(dòng)摩擦傳動(dòng)。預(yù)緊處理之后，傳動(dòng)部件之間已無(wú)間隙，鎖緊剛性聯(lián)軸器，回轉(zhuǎn)臺(tái)即可使用。

圖1　新型蝸輪蝸桿傳動(dòng)件示意圖

圖2　Wg系列回轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

三、Wg系列回轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)優(yōu)勢(shì)論證

由于Wg系列回轉(zhuǎn)臺(tái)采用獨(dú)特的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、創(chuàng)新式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和預(yù)緊處理，其相較于傳統(tǒng)蝸輪蝸桿回轉(zhuǎn)臺(tái)，具有以下幾大優(yōu)勢(shì)：

（1）Wg系列回轉(zhuǎn)臺(tái)采用線-線接觸的新型蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)二級(jí)傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)足夠大的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)輸出和靜止轉(zhuǎn)矩，使其足以克服零件加工時(shí)的切削力和振動(dòng)力對(duì)工作臺(tái)的角度和平面偏擺位移，從而保證零件的加工定位精準(zhǔn)。由于新型蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為滾動(dòng)摩擦，相較于傳統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)摩擦，摩擦力可以小到忽略不計(jì)，因此其能耗極低，箱內(nèi)油溫升幅小，噪音小，轉(zhuǎn)臺(tái)效率高。

（2）Wg系列回轉(zhuǎn)臺(tái)不僅采用全新蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，摩擦為滾動(dòng)摩擦，而且各配合傳動(dòng)部件采用相同材料，經(jīng)過(guò)表面滲氮處理，受力處硬度一致，這樣在很大程度上減少了摩擦帶來(lái)的損耗，在大幅提高回轉(zhuǎn)臺(tái)使用壽命的同時(shí)，至少能保證回轉(zhuǎn)臺(tái)兩年以上精度質(zhì)量。

（3）Wg系列回轉(zhuǎn)臺(tái)采用獨(dú)特的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，創(chuàng)新式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)自主設(shè)計(jì)的預(yù)緊方式處理之后，其最大性能優(yōu)勢(shì)為其超高精度?；剞D(zhuǎn)臺(tái)采用了兩級(jí)精確傳動(dòng)，預(yù)緊處理消除了傳動(dòng)過(guò)程中接觸處存在的間隙，其重復(fù)定位精度≤2″，回程誤差達(dá)到2″，一級(jí)產(chǎn)品分度誤差2″。本公司三級(jí)精度產(chǎn)品已通過(guò)湖北省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院精度質(zhì)量認(rèn)證。

（4）Wg系列回轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)用217絕對(duì)值編碼器伺服電機(jī)作為動(dòng)力輸入。由于其傳動(dòng)比高，摩擦損失極小，蝸桿槽壁厚度大且同時(shí)與多個(gè)傳動(dòng)銷深度嚙合，因而Wg系列回轉(zhuǎn)臺(tái)相較于同類型產(chǎn)品，其輸出轉(zhuǎn)矩大，在零件精加工時(shí)完全不用剎車鎖緊，承載力達(dá)到8噸（已通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)）。

四、結(jié)語(yǔ)

以上技術(shù)解決方案所制造的Wg系列轉(zhuǎn)臺(tái)，不僅有效解決了轉(zhuǎn)臺(tái)領(lǐng)域的各項(xiàng)技術(shù)難題，且通過(guò)三年的長(zhǎng)期使用驗(yàn)證，其各項(xiàng)精度保持基本不變，能充分滿足大工件精密加工的需求。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)工藝難度大、成本高，制造小型號(hào)的轉(zhuǎn)臺(tái)難度大，是其不足之處。

本公司wg系列轉(zhuǎn)臺(tái)所標(biāo)注的精度為純機(jī)械精度，如果通過(guò)系通補(bǔ)償則結(jié)果依次為；正負(fù)7秒的通過(guò)系通補(bǔ)償可達(dá)正負(fù)3.5秒；正負(fù)5秒的通過(guò)系統(tǒng)補(bǔ)償可達(dá)正負(fù)2.5秒；正負(fù)4秒和正負(fù)3秒的通過(guò)系統(tǒng)補(bǔ)償都可達(dá)正負(fù)1.5秒?！?/p>