數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)與研究

零梅勇

（廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣西南寧 530031）

0 引言

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主要以軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)行工作，五軸聯(lián)動(dòng)可以對(duì)擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)兩個(gè)軸的坐標(biāo)進(jìn)行定位。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的定位精度和速度平穩(wěn)性是數(shù)控機(jī)床的重要指標(biāo)，在設(shè)計(jì)中要格外注重提升數(shù)控工作臺(tái)的精度和平穩(wěn)度，提升對(duì)數(shù)控機(jī)床的控制。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是當(dāng)前最能體現(xiàn)國(guó)家工業(yè)發(fā)展程度的指標(biāo)，針對(duì)其的總體結(jié)構(gòu)、原理、設(shè)計(jì)要點(diǎn)等方面展開論述。

1 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床概述

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)由滑座、工作臺(tái)、床身、主軸組件、滑座直線進(jìn)給裝置、控制裝置等部件構(gòu)成。床身的作用主要是承載，一般要求床身基礎(chǔ)強(qiáng)度較好、精密度較高，在床身設(shè)置有回油裝置，和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)通過管路相連接，實(shí)現(xiàn)液壓油的循環(huán)利用，保證數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的穩(wěn)定工作[1]?；挥诖采砩?，其上設(shè)置有工作臺(tái)，兩者之間通過環(huán)形靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)相連接，從而保證工作臺(tái)具有一定的承壓能力，同時(shí)能夠進(jìn)行精準(zhǔn)的定位。在實(shí)際的工作中，即使出現(xiàn)偏心載荷的情況，也可以確保工作臺(tái)具有良好的精度。工作臺(tái)定位裝置由數(shù)控系統(tǒng)控制，定位鍵往上插進(jìn)工作臺(tái)的定位槽中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，定位鍵往下運(yùn)動(dòng)退出工作臺(tái)的定位槽后，工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)電器開關(guān)脫開，電機(jī)就可進(jìn)行正常工作。工作臺(tái)有著一套精密度十分高的軸承，以此來提高軸承向工作臺(tái)添加的預(yù)緊力，確保工作臺(tái)具有較好的端面跳動(dòng)精度。工作臺(tái)上安裝有圓光柵，可以對(duì)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行定位，確保其運(yùn)動(dòng)形成的是閉環(huán)，保證工作臺(tái)具有十分高的分度定位精度。

根據(jù)軸承數(shù)的不同，可以對(duì)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)進(jìn)行分類，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控回轉(zhuǎn)機(jī)床是當(dāng)前比較能夠代表我國(guó)工作發(fā)展?fàn)顩r的一類設(shè)備[2]。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床又叫做五坐標(biāo)機(jī)床，這種機(jī)床在原來三軸的基礎(chǔ)上又添加了兩個(gè)軸，不僅能實(shí)現(xiàn)沿X、Y、Z 軸的直線線運(yùn)動(dòng)，還能實(shí)現(xiàn)繞著X 軸和Z 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)任意方向上對(duì)刀具的控制，同時(shí)軸線也可以在一定范圍內(nèi)隨意轉(zhuǎn)動(dòng)。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床有以下特點(diǎn)：①能夠有效消除刀具的干擾，具有廣泛地適應(yīng)性，可以對(duì)復(fù)雜的零件進(jìn)行加工；②對(duì)于立體形狀的零件，可以采用直徑較大的刀具逼近其表面開展進(jìn)一步的加工，利用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床工作可以實(shí)現(xiàn)較少的走刀次數(shù)，零件的加工余量殘留較少，進(jìn)一步提高工作效率；③五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床可以使零件表面呈現(xiàn)出最好的切割狀態(tài)，如球頭刀加工時(shí)可以有效避免球頭底部的切割，刀具所承受的力是相同的，因此受力情況和變形情況保持一致，零件表面的誤差不會(huì)相差太多，進(jìn)一步提高了零件表面的平衡性能，在提高加工效率的同時(shí)也保證了零件的質(zhì)量；④對(duì)直紋面類型的零件，可以采用一刀切的方式，成品質(zhì)量好的同時(shí)工作效率也提高。

2 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是數(shù)控鉆床的分度回轉(zhuǎn)附件，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)有兩個(gè)作用：①使工作臺(tái)嚴(yán)格按照?qǐng)A周的形狀進(jìn)行切削工作，完成閉合；②使工作臺(tái)能夠分度開展工作。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)能夠在系統(tǒng)的控制下，在需要時(shí)完成上述的切削任務(wù)。在實(shí)際的工作中，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用變化速度的方式進(jìn)行工作，其工作的精確度完全由控制系統(tǒng)來決定[3]。在設(shè)計(jì)上一般采用分箱體式結(jié)構(gòu)，以此來進(jìn)一步增加數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的準(zhǔn)確度和承力強(qiáng)度[4]。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的主要構(gòu)成部分有回轉(zhuǎn)主軸、工作花盤、基座、導(dǎo)航等。

五軸數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)軸有兩種形式：工作臺(tái)回轉(zhuǎn)和依靠立式主軸頭回轉(zhuǎn)。工作臺(tái)回轉(zhuǎn)是通過機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，該系統(tǒng)先輸出數(shù)個(gè)脈沖到電機(jī)，然后電機(jī)通過聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)和蝸桿的連接，在蝸桿的帶動(dòng)下，蝸輪開始減小速度，然后在蝸輪軸上安裝齒輪以消除縫隙，齒輪帶動(dòng)著齒圈傳動(dòng)，從而使工作臺(tái)主軸帶動(dòng)工作盤面回轉(zhuǎn)，在電機(jī)將進(jìn)給脈沖輸出完成前幾秒，數(shù)控系統(tǒng)向電機(jī)發(fā)出指令要求減速以減少停止時(shí)的沖擊力度，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)到既定位置的時(shí)候，電機(jī)就執(zhí)行制動(dòng)命令，通過電機(jī)的零轉(zhuǎn)速制動(dòng)力矩實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)制動(dòng)。

2.2 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)

根據(jù)功能的不同，可以將整個(gè)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)分為兩個(gè)部分：圓周部分和擺動(dòng)部分[5]。根據(jù)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的不同又可以將兩個(gè)部分進(jìn)行細(xì)分：齒輪傳動(dòng)部分和蝸輪蝸桿傳動(dòng)部分。

圓周回轉(zhuǎn)部分的設(shè)計(jì)，這部分計(jì)算可以分為兩個(gè)部分：對(duì)蝸輪蝸桿和齒輪傳動(dòng)部分的計(jì)算。對(duì)圓柱齒輪傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)包括材料選擇、參數(shù)設(shè)定、螺旋角度的選擇、齒輪直徑計(jì)算等。對(duì)于蝸輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)主要包括齒數(shù)、蝸輪蝸桿材料、效率計(jì)算、熱平衡計(jì)算等。工作參數(shù)按照相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求確定，工作臺(tái)主要用來對(duì)鉆床上連續(xù)孔的精確分度，因此在實(shí)際的工作中需要根據(jù)鉆削加工的切削力度和扭矩進(jìn)行設(shè)計(jì)。在切削過程中工況比較復(fù)雜，因此，一般按照以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，CM表示不同切削條件和材料下的扭矩計(jì)算系數(shù)；CY表示不同切削條件和材料下的軸向力計(jì)算系數(shù)；d0表示鉆頭的直徑，單位mm；f 表示走刀量，單位mm/r；K 表示切削力修整系數(shù)；W 表示角速度，單位rad/s。

對(duì)于蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)，在數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)中，側(cè)隙的存在會(huì)對(duì)定位的準(zhǔn)確性造成極大影響，在實(shí)際工作中要盡量減少甚至消除側(cè)隙對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)精度的影響。雙導(dǎo)程蝸桿傳動(dòng)可以有效改變嚙合側(cè)隙的特點(diǎn)，使其結(jié)構(gòu)更加緊湊，方便調(diào)節(jié)。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)該先按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)蝸輪蝸桿的結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再對(duì)齒輪厚度進(jìn)行調(diào)整，將其設(shè)計(jì)成雙導(dǎo)程漸厚蝸桿[6]。這種蝸桿的工作原理和一般蝸桿的工作原理一樣，其橫截面相當(dāng)于基本齒條，蝸輪則相當(dāng)于齒輪。左右兩邊齒輪的間隔距離是不一樣的，但是同一邊的齒輪間隔的距離是一樣的，因此嚙合條件并沒有被破壞。當(dāng)軸向移動(dòng)蝸桿之后也能實(shí)現(xiàn)兩者較好的吻合。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)一般按照以下公式：

公稱模數(shù)t中=（t左+t右）/2

齒厚增量系數(shù)k=（t左+t右）/t中=2t差/t中=2m差/m中

此外，還需要確定齒輪厚度調(diào)整量，齒輪厚度值是為了對(duì)出現(xiàn)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)誤差值和最大允許磨損量來確定的，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建議選擇0.44 mm。

對(duì)于精確定位和工位鎖緊的設(shè)計(jì)，由于工作臺(tái)幅面的設(shè)計(jì)尺寸一般比較大，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中主軸回轉(zhuǎn)會(huì)具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這不便于進(jìn)行精確定位。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要安裝制動(dòng)器，幫助主軸實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的制動(dòng)和工位保持[7]。這種制動(dòng)器在工作時(shí)主要通過電磁力將制動(dòng)器上片和安裝板壓實(shí)，通過摩擦力抱緊主軸，確保工作臺(tái)定位精準(zhǔn)。在進(jìn)行分度回轉(zhuǎn)時(shí)，要保證制動(dòng)器處于得電的狀態(tài)，磁力為零，這時(shí)安裝板和制動(dòng)器處于分開狀態(tài)，主軸可以進(jìn)行回轉(zhuǎn)分度；在完成分度工作之后，制動(dòng)器又呈現(xiàn)失電狀態(tài)，主軸又可以實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)，確保分度精度。

3 結(jié)束語

針對(duì)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的工作原理和設(shè)計(jì)方案，精度要求較高的機(jī)械對(duì)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的要求也比較高，要求數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)具有較為穩(wěn)定的速度和較高的工作精密度。在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，可以通過雙導(dǎo)程蝸桿蝸輪結(jié)構(gòu)來提升數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)定位精度，以此提升整個(gè)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的工作質(zhì)量和效率，進(jìn)一步提高我國(guó)的工業(yè)程度。