大型精密臥式回轉(zhuǎn)裝置的驅(qū)動研究*

郭 召

西安大醫(yī)集團股份有限公司 西安 710016

1 研究背景

在大型精密回轉(zhuǎn)裝置中,大型精密數(shù)控機床回轉(zhuǎn)工作臺、大型雷達轉(zhuǎn)塔、大型天文望遠鏡回轉(zhuǎn)臺等要求高精度和高承載,艦船火炮轉(zhuǎn)塔、坦克炮塔等要求高動態(tài)響應(yīng)。對此，技術(shù)人員進行了廣泛研究。

文獻[1]研究了大型齒輪加工機床回轉(zhuǎn)工作臺的關(guān)鍵技術(shù),對轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動方法進行了較為詳細的介紹。王國民[2]對大型天文望遠鏡的驅(qū)動方式進行了研究,系統(tǒng)介紹了大型天文望遠鏡常用的幾種驅(qū)動方式及發(fā)展趨勢。張臘梅[3]設(shè)計了大慣量雷達天線驅(qū)動系統(tǒng)及其傳動鏈。以上研究的回轉(zhuǎn)裝置多為立式結(jié)構(gòu),負載施力較為均衡,經(jīng)過多年發(fā)展,驅(qū)動技術(shù)也已經(jīng)相對成熟。

在工程應(yīng)用中,還需要應(yīng)用臥式布局的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),其受力與立式回轉(zhuǎn)裝置有較大差異,面臨偏載、不平衡、偏心、受力不均等問題。立式布局的設(shè)計方法及經(jīng)驗不能完全照搬應(yīng)用,尤其是對于精密重載的應(yīng)用場合而言。

可見,對大型精密臥式回轉(zhuǎn)裝置進行驅(qū)動研究,具有重要的工程意義。

2 臥式回轉(zhuǎn)裝置受力分析

臥式回轉(zhuǎn)指回轉(zhuǎn)軸線與大地平行的回轉(zhuǎn)運動,如數(shù)控磨床頭尾架、大型齒輪箱、分度轉(zhuǎn)臺等,都會做臥式回轉(zhuǎn)運動,這些通常是小型臥式回轉(zhuǎn)裝置。常見的大型精密臥式回轉(zhuǎn)裝置有兆瓦級風力發(fā)電機組齒輪箱、質(zhì)子放射治療系統(tǒng)大回轉(zhuǎn)架、大型盾構(gòu)機回轉(zhuǎn)刀盤等。臥式回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與立式回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)相比,受力有較大差異。大型精密臥式回轉(zhuǎn)裝置受力如圖1所示。圖1中,M為驅(qū)動力矩,G為負載重力。大型精密臥式回轉(zhuǎn)裝置承受較大的傾覆力矩Mq,這對回轉(zhuǎn)支撐的抗傾覆性提出了較高的要求。對于驅(qū)動系統(tǒng)而言,負載實際質(zhì)心與幾何回轉(zhuǎn)中心偏離距離為e,由此產(chǎn)生偏載力矩Mp,引起力矩波動及沖擊,因此需要充分考慮對傳動精度的影響。為實現(xiàn)平穩(wěn)精確的運動控制,適合大型精密臥式回轉(zhuǎn)裝置的驅(qū)動方案有齒輪齒圈驅(qū)動、力矩電機直接驅(qū)動及摩擦輪驅(qū)動。

3 齒輪齒圈驅(qū)動

齒輪傳動是一種精密傳動方式,得益于大型齒輪磨床的快速發(fā)展,大型齒輪可以通過磨削達到非常高的精度,進而提高齒輪傳動的精度及性能。在大型數(shù)控機床轉(zhuǎn)臺、大型天文望遠鏡轉(zhuǎn)臺、雷達轉(zhuǎn)塔等精密回轉(zhuǎn)機構(gòu)中,齒輪傳動得到了廣泛應(yīng)用。對于大型精密臥式回轉(zhuǎn)裝置,尤其是大型中空類精密臥式回轉(zhuǎn)裝置而言,齒輪齒圈驅(qū)動是一種理想的傳動方案。

圖2所示為一款國產(chǎn)大型質(zhì)子放射治療設(shè)備,采用大型齒圈作為傳動元件,齒圈直徑為5～6 m,通過精密磨削使精度達到IT5～IT6級[4]。

圖1 大型精密臥式回轉(zhuǎn)裝置受力

圖2 國產(chǎn)大型質(zhì)子放射治療設(shè)備

對于齒輪傳動而言,由于存在齒隙,因此反向傳動時,偏載力矩會帶動負載移動一個微小轉(zhuǎn)角,影響精度。對于大負載場合,還可能會伴隨沖擊、振動?？梢?對于反復(fù)換向的運動場合,應(yīng)用齒輪傳動需要引起重視。采用齒輪齒圈驅(qū)動時,一方面要控制負載的不平衡量,另一方面要考慮對齒輪副進行剛性消隙。齒輪傳動常規(guī)的消隙方式有改變齒厚、調(diào)節(jié)中心距等,隨著電控技術(shù)的發(fā)展,雙齒輪驅(qū)動消隙技術(shù)得到廣泛應(yīng)用,尤其適合大型重載荷驅(qū)動工況,并且可以滿足剛性消隙的需求,適用于大型精密臥式回轉(zhuǎn)裝置。

雙齒輪驅(qū)動消隙技術(shù)的基本原理如圖3所示。

圖3 雙齒輪驅(qū)動消隙技術(shù)原理

大齒圈作為從動齒輪,同時有兩組大齒圈和驅(qū)動輪嚙合。驅(qū)動輪分別由兩組相同的驅(qū)動單元驅(qū)動,在兩組驅(qū)動單元之間需要通過控制系統(tǒng)建立一個偏置力矩。驅(qū)動單元輸出端齒輪和大齒圈異面嚙合,使大齒圈不能在齒輪間擺動,從而達到消除間隙,提高系統(tǒng)精度的目的。兩組驅(qū)動單元有主從之分,回轉(zhuǎn)時,控制系統(tǒng)對主驅(qū)動單元進行位置環(huán)控制,實現(xiàn)角度位置的精確控制,同時對從驅(qū)動單元進行速度環(huán)控制。從驅(qū)動單元對主驅(qū)動單元進行速度跟隨,不考慮兩者之間的位置偏差,不進行位置比較,避免產(chǎn)生振蕩。在靜止狀態(tài)下,兩個驅(qū)動單元輸出大小相等、方向相反的力矩,各自拖動的小齒輪分別與大齒圈的兩個輪齒處于異面嚙合狀態(tài)。這一消隙技術(shù)結(jié)構(gòu)緊湊,消隙力可調(diào),可以獲得較高的回轉(zhuǎn)精度,對大型精密臥式回轉(zhuǎn)裝置而言,是一種理想驅(qū)動方案[5-6]。

4 力矩電機直接驅(qū)動

力矩電機直接驅(qū)動具有無背隙、無磨損、傳動鏈短等優(yōu)點,可以獲得更高的剛度,在回轉(zhuǎn)驅(qū)動中已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用。目前,力矩電機的基本結(jié)構(gòu)有傳統(tǒng)圓筒形和弧形分段式兩種,如圖4所示。力矩電機的一大優(yōu)勢是可以在低速運行狀態(tài)下獲得大力矩輸出,且運行平穩(wěn),能夠克服伺服電機低速運行不穩(wěn)定的問題。對于有低速運行工況的大型精密臥式回轉(zhuǎn)裝置而言,非常適合采用力矩電機直接驅(qū)動。美國瓦里安醫(yī)療系統(tǒng)公司已經(jīng)率先在新一代產(chǎn)品中采用了弧形分段式力矩電機直接驅(qū)動技術(shù),如圖5所示?；⌒畏侄问搅仉姍C為圓弧形,由多組模塊共同組成,每組模塊包含定子和轉(zhuǎn)子,可以獨立驅(qū)動,協(xié)同運動。與傳統(tǒng)圓筒形結(jié)構(gòu)力矩電機相比,弧形分段式力矩電機軸向占用空間小,結(jié)構(gòu)緊湊。每個弧段可獨立驅(qū)動,發(fā)生故障時,不影響設(shè)備正常使用,可以在正常使用完畢停機后進行維修,進而縮短設(shè)備非正常停機時間[7-8]。隨著力矩電機制造水平及控制技術(shù)的發(fā)展,力矩電機直接驅(qū)動技術(shù)將在大型精密臥式回轉(zhuǎn)裝置中得到廣泛應(yīng)用。

5 摩擦輪驅(qū)動

摩擦傳動指通過摩擦副之間的摩擦力驅(qū)動負載做回轉(zhuǎn)運動,傳動精度高,摩擦副零件易加工,經(jīng)濟性好,在大型天文望遠鏡回轉(zhuǎn)臺中已得到成功應(yīng)用,可以獲得非常高的傳動精度。采用立式布局摩擦輪驅(qū)動時,需要對驅(qū)動摩擦輪施加載荷,以保證足夠的摩擦力。采用臥式布局摩擦輪驅(qū)動時,負載重力通過摩擦副接觸進行載荷傳遞,負載即為加載裝置,摩擦力穩(wěn)定可靠,但同時大幅增大了摩擦副接觸區(qū)域的應(yīng)力,需要選擇高屈服強度材料,以延長接觸疲勞壽命,并需要對材料進行熱處理,以提高耐磨性。摩擦輪系為非強制嚙合,對負載的不平衡較為敏感,因此要獲得穩(wěn)定的傳動精度,平衡的調(diào)整是關(guān)鍵。摩擦輪驅(qū)動在大型精密臥式回轉(zhuǎn)裝置中的應(yīng)用如圖6所示。

圖4 力矩電機基本結(jié)構(gòu)

圖5 力矩電機直接驅(qū)動的應(yīng)用

圖6 摩擦輪驅(qū)動的應(yīng)用

大型精密臥式回轉(zhuǎn)裝置采用摩擦輪驅(qū)動,必須避免重載時打滑,并減小彈性滑動?？朔蚧闹饕胧┌?① 嚴格計算摩擦力矩與實際所需力矩,并留出足夠的安全因數(shù);② 做好靜平衡;③ 保持摩擦副干燥、清潔。減小彈性滑動的措施有選擇高彈性模量材料、提高支撐系統(tǒng)剛性等[9-10]。

6 結(jié)束語

筆者對大型精密臥式回轉(zhuǎn)裝置的驅(qū)動進行了研究。齒輪齒圈驅(qū)動為強制嚙合,能夠承受較大的力矩,偏載會在運動反向時引起沖擊,合理的剛性消隙是關(guān)鍵。力矩電機直接驅(qū)動在低速狀態(tài)下運行穩(wěn)定,適用于低速工況?；⌒畏侄问搅仉姍C結(jié)構(gòu)緊湊,在軸向上占用空間小,后期使用過程中維護方便。隨著制造水平及控制技術(shù)的發(fā)展,弧形分段式力矩電機直接驅(qū)動技術(shù)將在大型精密臥式回轉(zhuǎn)裝置中得到廣泛應(yīng)用。摩擦輪驅(qū)動通過摩擦力傳遞力矩,對偏載敏感,應(yīng)用于大型精密臥式回轉(zhuǎn)裝置中時,需要嚴格對回轉(zhuǎn)部件進行平衡調(diào)整,控制偏心量,否則會影響運動精度。摩擦副接觸區(qū)域應(yīng)力集中,需要選擇高屈服強度材料,以延長接觸疲勞壽命。無論采用哪種驅(qū)動方式,對回轉(zhuǎn)部件的平衡調(diào)整都是基礎(chǔ)和關(guān)鍵。