精密卧式加工中心设计研究（二）——回转工作台部分

撰文/沈阳机床股份有限公司 李云革

精密卧式加工中心设计研究（二）
——回转工作台部分

撰文/沈阳机床股份有限公司 李云革

本文以HMC63e型卧式加工中心机床牙盘分度回转台的设计计算作为例子，介绍牙盘分度回转台的计算设计过程。详细讲解了牙盘式分度回转台的工作原理、具体结构以及理论计算过程。通过机床样机测试，证实工作台结构设计合理、设计计算过程正确。

一、引言

卧式加工中心一次装卡可以完成多个面的加工且排屑方便，适合长时间无人操作，市场需求量一直很大。现在各种行业尤其是汽车行业的高速发展，国内外的中小型卧式加工中心正逐渐向高速、精密、复合和智能化发展，对高精度转台的要求也越来越高。

本文以HM63e型卧式加工中心牙盘分度转台为例，阐述转台设计要点，理论计算及一些实际经验。

二、原理结构设计

该机床采用630×630mm双交换工作台，广泛适用于箱体类零件、壳体零件等中大型零件的加工，零件经过一次装夹可自动完成四个面的铣、钻、镗、铰、攻丝、两维和三维曲面等多工序加工，且排屑方便比较适合长时间无人操作，适应多品种大批量生产。应用于航空航天、汽车机车、仪器仪表、轻工轻纺、电子电器和通用机械等行业。

牙盘回转工作台依靠牙盘定位，定位精度高。牙盘回转工作台快速回转速度为11.1rpm。其回转采用双导程蜗杆，可以保证传动时无间隙。其牙盘工作台参数：工作台为630×630mm；载重为1200Kg；工作台分度为1°；工作台T形槽尺寸为18×7；无触点开关情况下，回转台上升、下落各一个（共2个）转台回零点一个；工作台松开、夹紧各一个（共2个）；系统工作压力为3.5MPa或5MPa；定位精度为8″；重复定位精度：5″。转台具体结构如图1所示。转台的下牙盘4固定在滑座1上，上牙盘5固定在回转座6上。转台共有3种工作状态。

（1）图示位置为工作台夹紧状态，这时Ⅰ油口开始给油，活塞7位于下面位置，活塞7经过回转座6让上面的牙盘5与下面的牙盘4紧紧啮合在一起，由此来夹紧回转座6，这时工作台10是通过拉杆13与卡爪16拉紧，实现与回转座6的定位与夹紧，在这个时刻，工作台10、回转座6与滑座1夹紧成为一个整体，适合切削加工。

（2）当Ⅱ油路开始进油时，活塞7开始上升，带动回转座6和上牙盘5一起向上升，与下牙盘4脱离，这时可以通过蜗杆轴24传递动力（传动如图2所示），与蜗轮啮合，带动油缸体3转动，油缸体3通过销子21带动回转座6与工作台10一起转动，最终实现回转工作台转动。

图1 牙盘式回转工作台结构示意图

（3）工作台夹紧和松开，当Ⅲ进油时，推动活塞20上升，带动拉爪芯套17和卡爪16向上运动8mm，使得卡爪16松开拉杆13，拉杆13与工作台固定，此时可以进行工作台10的交换。此时Ⅴ口气动管路进行锥定位面中心吹气，以清洁锥面。同时，图2 的无触点开关18与图2的撞块16接触，反馈信号并表示，随后工作台升起到位，可以交换。当Ⅳ进油时，推动活塞20下降，带动卡爪16与拉杆13拉紧，从而使工作台夹紧，工作台可以工作，此时，图2 的无触点开关19和图2的撞块16接触，反馈信号，表示工作台下降到位。工作台可以工作。

转台分度定位由牙盘实现，优点是定位精度好。工作台回转经过伺服电机传到带轮2，带轮2固定在蜗杆轴8上，蜗杆与蜗轮啮合，蜗轮带动整个工作台及回转座旋转。此种转台的定位方式，对动力传递装置定位的准确性要求不是太高，因此在实际生产中对对蜗杆副加工的要求不至于过于苛刻，能够在实际更加容易实现。由于采用双导程蜗杆传动机构，可以消除传动间隙，保证分度精度。

三、校核计算

（1）上牙盘浮起计算。

工作时，活塞受到的总作用力为

式中，FL为负载阻力；Ff为液压缸外摩擦力；FB为背压阻力；FS为密封圈摩擦阻力；FI为活塞启动时的惯性力。

工作台10质 量m1=188Kg， 回转座6质 量m2=150Kg，浮起时带起其它零件总质量m3=70Kg，工件最大重量为载重m4=1200Kg，再加上其它增加的质量200Kg，牙盘浮起时，浮起部分的总质量为：

总重量为：W=m×g=1808×9.8 =17718N

当由Ⅱ管路进油时，活塞7承受力设为F，管路油压：P=5MPa(液压站最高压力7MPa)；活塞7外径D1=210mm，被轴占据的内径D2=170mm。

F=PA（A为有效截面积）

因为F＞W，所以活塞面积及油压符合设计要求。为进一步确保升起稳定，在管路上安装一个减压阀，通过改变管路压力大小来调节牙盘升起速度。

图2 转台动力传动结构示意图

（2）上升下降速度计算。活塞7行程为7mm，时间t=2s

由于下降时有工作台加工件的总重量，所以为了保证其升降稳定性，在管路上装有节流阀，调节管路流量，以便调整工作台整体升降的速度及其稳定性。

四、回转工作台电机的选择计算

回转工作台选用西门子厂家交流伺服电机，交流伺服电机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养要求低，惯量小，易于提高系统快速性，是高动态性能的永磁型电机，具有性能优良、运行稳定，适应于高速大扭矩工作状态等特性。

预选西门子伺服电机型号为1FK7101-5AF71 27/15.5Nm （SIEMENS），具体参数是：额定转速：n=3000r/min，额定扭矩M=15.5Nm，功率P=4.87KW，转动惯量J=79.9×10-4Kg·m2。

（1）工作台旋转传动比的计算。

式中，i为传动比；Z1为带轮1齿数；Z3为带轮3的齿数；Z8为蜗杆轴的头数；Z24为蜗轮的齿数。

（2）工作台旋转扭矩的计算。

工作台回转时，牙盘浮起后，活塞内油面与回转座的零件接触，摩擦系数为0.005，浮起零件总重量W=17718N，加速时间为2s，加速度为1rad/s2（系统自带）转动惯量J=119kg·m2。

摩擦力最大为：

摩擦力矩为：

加速扭矩为：

折算到电机的扭矩：

预选电机的额定扭矩为15.5Nm，电机的额定扭矩大于负载的扭矩 ，所以，所选电机满足要求。

（3）工作台旋转惯量的计算。

工作台工件总质量：M=1808Kg

工作台工件总回转惯量：

式中，M为回转座的质量；l为工作台边长，l=630mm=0.63m。

折算到电机轴上的转动惯量为：

五、结语

样机生产装配完成后，进行了指标测试，其测试结果转台满载时，转动和交换都能顺利平稳快速完成，其转动定位精度达到6″，重复定位精度达到4″，各项指标均能达到设计前预计指标。

（未完待续）