数控回转工作台设计

李立强 姜 辉

(齐重数控装备股份有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161005)

数控回转工作台是能源、电力、矿山、造船、重型机械等大型工件加工的理想辅助设备，数控回转工作台与数控落地式铣镗床结合使用可进行工件的分度和切削旋转，利用数控回转工作台的直线运动可以扩大数控落地式铣镗床的加工范围，减少工件装卡次数，提高工件的加工效率和精度，数控回转工作台可以独立使用，用作检验平台等。

现有用户需求一台最大承重在160 t 以上的高精度数控回转工作台，主要用于加工矿山机械设备的转筒零件。转筒零件的直径范围为φ7～16 m，直径小于9 m 的转筒零件件一般由二瓣分件组成，直径超过9 m的转筒零件一般由三瓣分件组成，其中直径φ16 m 转筒零件的一瓣分件最大重量约120 t，转筒零件瓣状分件的辅助卡紧装置最大重量约为40 t，在加工转筒零件瓣状分件时，需将转筒零件瓣状分件座落在数控回转工作台上，并使用专用工装夹具安装找正转筒零件，使用数控落地铣镗床加工转筒零件瓣状分件两端的结合面和结合面上的通孔、反划沉孔;以及加工转筒零件瓣状分件筒壁上有精度要求的多个直孔和斜孔等工序。用户希望通过使用数控回转工作台的精确分度功能，在一次装卡找正转筒零件瓣状分件后，将上述加工工序全部加工完成，用户需求本数控回转工作台的主要目的，是希望通过使用数控回转工作台来配合数控落地铣镗床，提高转筒零件瓣状分件的加工效率和精度，提高转筒零件瓣状分件一次加工的合格率，降低转筒零件瓣状分件的返修率。在转筒零件加工过程中，用户要求尽可能地避免转筒零件的二次装卡找正，尽可能地降低工人的劳动强度。

目前，使用传统数控回转工作台加工转筒零件瓣状分件的合格率不高，其主要原因是传统数控回转工作台B 轴回转传动精度不高。目前，传统数控回转工作台B 轴回转传动结构(见图1c)一般采用伺服电动机经过多对齿轮传动降速后驱动双齿轮、大齿圈的传动结构，由于B 轴传动链过长、传动轴数量过多，并且在消隙封闭传动链之外，电动机轴与Ⅱ轴之间的齿轮啮合间隙没有被消除掉，使得传统数控回转工作台的分度精度不高。尤其是使用传统数控回转工作台加工直径在φ9～16 m 的转筒零件瓣状分件时，数控回转工作台的分度精度误差被放大，转筒零件瓣状分件两端结合面的加工精度经常超差，造成转筒零件组装后的圆柱度超差，转筒零件组装后成椭圆形，使转筒零件瓣状分件的正常加工余量，难以满足转筒零件总成后内孔和外圆柱面的加工需要，经常出现转筒零件瓣状分件返修结合面，并重新装配成总成件的情况。

为了解决上述难题，笔者公司对传统数控回转工作台的回转传动结构进行了技术改进，在使用机械消隙的双齿轮、齿圈传动结构的基础上，将消隙传动链之外的电动机轴与Ⅱ轴之间的齿轮传动结构，改进为消隙的双导程蜗杆(见图1b)、蜗轮传动结构。双导程蜗杆传动与普通蜗杆传动的区别在于，蜗杆的左右齿面具有不等的导程，而同侧齿面的导程相等，因而这种蜗杆的轴向齿厚，沿其轴线从一端到另一端按比例增大或减小，但是，与它啮合的蜗轮所有齿的齿厚均相等，因此当蜗杆沿轴线作移动时，可以改变蜗杆和蜗轮之间的啮合间隙。在双导程蜗杆与蜗轮有啮合间隙时，根据双导程蜗杆与蜗轮的实测啮合间隙值，相应调整双导程蜗杆传动结构示意图中调整垫19 的厚度值，使双导程蜗杆20 向齿厚减小方向移动，使与蜗轮啮合区域的蜗杆齿厚增加，蜗杆齿厚的增加量与双导程蜗杆与蜗轮的实测啮合间隙值相等，从而达到了消除双导程蜗杆、蜗轮啮合间隙的目的。该消隙结构调整简单、操作方便。

1 数控回转工作台结构介绍

数控回转工作台主要由床身、滑座、工作台、主轴组件、滑座直线进给装置、滑座直线运动控制装置、工作台回转进给装置、工作台卡紧装置、滑座拖链、滑座直线反馈装置、工作台回转运动反馈装置、冷却回收装置、电气系统、液压系统等组成。

1.1 床身

在床身与滑座之间使用整体四导轨结构，导轨跨距3500 mm，床身外侧的两条导轨均使用双筋板支撑导轨，每一条承重筋板均有一排地脚垫铁承重，位于床身中间的两条导轨均使用单筋板支撑、单排地脚垫铁承重。整体四导轨床身共使用6 排地脚垫铁，9 m 长床身上共使用了104 块调整垫铁。床身的地脚垫铁数量多、密度大，床身的承载能力大、基础刚度高、精度保持性好。床身设置有回油装置，与回转工作台液压系统回油管路联接，使工作台的液压油可以循环使用，保证了数控回转工作台液压系统的正常工作。

1.2 滑座直线进给装置

在床身中间安装有滑座直线进给装置，该装置使用交流伺服电动机驱动，通过减速器降速后直驱滚珠丝杠旋转，丝杠螺母带动滑座进行直线运动。滚珠丝杠两端分别使用一套高精度组合轴承进行定位，两套高精度组合轴承共同承受滚珠丝杠的径向和轴向载荷，与传统的双推对单推的轴承定位结构，即三套推力圆柱滚子轴承和两套滚针轴承组合使用，共五套轴承定位滚珠丝杠的结构相比，仅使用两套组合轴承定位的滚珠丝杠结构更加简单、合理，零件和轴承数量更少，机加和装配的工艺性更好，滚珠丝杠的精度更高，精度保持性更好。

在床身中间安装有滑座直线反馈装置，该装置主要由直线光栅尺组成，滑座在床身上的实际位置信号由直线光栅尺反馈给数控系统，使工作台V 轴直线运动(见图1d)形成闭环控制，提高了数控回转工作台直线运动的数控定位精度。

1.3 滑座

滑座座落在床身上，滑座沿床身导轨面水平移动，滑座与床身之间有四条静压导轨，通过滑座下压板上的静压导轨板对滑座施加适当载荷进行预紧，滑座下压板上的静压导轨与床身静压导轨形成闭式静压导轨结构。滑座上置有工作台，滑座与工作台之间使用环形静压导轨结构，环形静压导轨可以实现工作台的精确定位和承重，保证工作台低速时无爬行现象，工作台即使有偏心载荷，也能使工作台保持良好的几何精度。

1.4 工作台回转进给装置

工作台回转运动由交流伺服电动机驱动双导程蜗杆、蜗轮，通过齿轮降速后带动双齿轮与工作台大齿圈啮合的传动结构。双导程蜗杆、蜗轮和双齿轮齿圈均为机械消隙传动结构，工作台B 轴回转进给装置的传动链短、传动轴数量少，传动精度高，精度保持性好。

1.5 滑座直线运动控制装置

滑座上设有行程及位置控制开关，撞块安装在床身上，滑座直线运动控制装置的主要功能有:工作台参考点、滑座后减速、滑座后极限、滑座前减速、滑座前极限、工作台前禁止回转功能控制。在回转工作台移至靠近主机的区域内时，前禁止回转开关被压合，数控系统控制回转工作台在此位置向前的行程内不得回转，即使在人为误操作工作台回转按钮时，也可以避免工作台回转运动的启动，从而避免了工作台的4 个长对角与主机碰撞事故的发生。

1.6 滑座和工作台的卡紧装置

滑座上有工作台的直线卡紧和回转卡紧共两种卡紧装置，工作台直线卡紧使用固定在滑座四角处的四套油缸卡紧，碟形弹簧放松的结构，并由数控系统控制，即滑座移动到位置后，油缸自动卡紧滑座体，卡紧动作可靠。在滑座需要移动时，必需在油缸液压油的放松压力达到规定值后，工作台回转运动驱动电动机才能起动，进行工作台的回转运动。

工作台的回转卡紧装置(见图1e)使用液压卡紧和液压放松的结构。该装置安装在滑座上，卡紧时油缸驱动拉杆将卡紧体中的卡紧块向内运动，卡紧块卡紧工作台的环形槽，卡紧块的材料为耐磨青铜，需要放松工作台时，油缸反向运动可松开拉杆，卡紧块由于自身弹性而向外放松。为了加大卡紧块与工作台环形槽的接触面积，两个卡紧块的表面上需修整成与工作台环形槽直径相同的圆弧形。另外，通过电气开关控制，使工作台的回转运动和回转卡紧动作互锁，保证在工作台的回转卡紧装置和工作台的回转驱动装置不能同时处于工作状态。

1.7 工作台的定位装置

工作台设置有4 ×90°的精确定位装置，当工作台回转到4 个90°位置时，电气开关发出工作台回转到位信号，通过数控系统控制，安装在滑座体上的液压油缸下腔来油，定位键向上运动插入工作台定位槽中，使工作台被精确定位，此时工作台禁止回转电气开关压合，控制工作台的回转驱动电动机不能被启动。当工作台需要旋转时，需按下按钮站上工作台放松按钮，数控系统控制安装在滑座体上的液压油缸上腔来油，定位键向下运动退出工作台的定位槽，此时工作台禁止回转电气开关脱开，工作台的回转驱动电动机可以正常启动、工作。

1.8 工作台

数控回转工作台使用一套高精度双列圆柱滚子轴承定心，保证工作台具有非常高的径向跳动精度，使用一套推力滚子轴承对工作台施加一定的预紧力，提高工作台的轴向刚度，保证切削加工工件时，工作台具有足够的抗颠覆力矩，从而保证了工作台具有非常高的端面跳动精度。工作台上部装有圆光栅，对工作台的回转运动进行位置检测，使工作台的回转运动形成闭环控制，保证工作台具有非常高的分度定位精度。回转工作台中间有已加工好的高精度定心孔，与工作台回转中心线同轴，可用于工件的安装、找正。

数控回转工作台水平运动V 轴、回转运动B 轴使用静压导轨结构。静压导轨结构可以实现工作台准确定位无爬行现象，即使有偏心载荷，也能保持良好的几何精度。使用静压导轨的技术难点是需要一套稳定可靠的静压控制系统。

2 结语

通过使用双导程蜗杆蜗轮消隙结构，彻底消除了数控回转工作台B 轴回转传动链中的间隙环节，使工作台回转传动链全部使用消隙结构，且在满足原传动链降速比的情况下，减少了传动轴的数量，故大大提高了数控回转工作台的回转传动B 轴的定位精度，床身使用整体四导轨结构，工作台的直线运动和回转运动均使用静压导轨结构，满足了矿山机械大型转筒零件瓣状分件加工时，工作台最大承重160 t 的实际需要。