大型闭式恒流静压直驱转台的设计研究

周鹏亮，刘海岷

(武汉轻工大学 机械工程学院，湖北 武汉 430023)



大型闭式恒流静压直驱转台的设计研究

周鹏亮，刘海岷

(武汉轻工大学 机械工程学院，湖北 武汉 430023)

摘要：通过对大型机床回转工作台驱动方式、承载方式、供油方式、角度检测方法等关键技术的分析，结合闭式恒流静压导轨(轴承)技术、电机直驱技术和磁栅测量技术，给出了一种大型闭式恒流静压直驱旋转工作台的结构设计方案。该转台可广泛应用于大型车床、加工中心等机床。

关键词：直驱电机；静压向心轴承；闭式恒流静压导轨；磁栅测量

1引言

机床是整个制造业的基础,随着我国对装备制造业的积极推进和对高档机床需求量的逐年增加，所以对数控机床自主化设计制造要求越来越高。数控机床核心部件的性能决定着整台机床的性能。回转工作台是数控机床的主要部件之一，主要作用是支撑工件并带动其作回转运动，完成加工过程。它几乎涉及到整个机械加工领域，目前国产大型重载数控回转工作台同国外同类产品比较，生产效率低，加工精度差，承载能力尚不可以满足工业需求，系统热平衡问题没有很好解决，因此迫切需要掌握一批关键技术，实现部分装备在现有的基础上更进一步突破，从而逐步改变核心零件制造技术受制于国外的尴尬局面。因此对于数控机床关键技术之一的静压直驱数控回转工作台的技术的研究就成为具有挑战性的前沿课题[1-2]。笔者结合国内大型恒流闭式静压直驱回转工作台的发展现状，对于转台设计的中一些关键技术进行了分析，以期为Φ 1 500 mm—Φ 3 000 mm规格的大型重载数控转台的结构设计提供参考。

2旋转工作台的驱动方式

电机直接驱动技术现在被广泛应用于各领域，其省掉了齿轮，蜗轮蜗杆等中间传统传动环节，采用电机转子与运动部件直接连接。在20世纪50年代初期，力矩电机就被美国的科尔摩根内河电机公司与麻省理工学院共同提出，随着现代工业的快速发展,目前已经被广泛应用。转台传统驱动方式中由于采用了蜗轮蜗杆结构，会使得系统传动链变长，导致误差累积，且在运动过程中容易产生较大的反向间隙、摩擦和弹性变形，这可能会导致工作台的振动性能、动态刚度变差[3]。相比，直驱转台优势明显，首先，回转速度几乎可以提高10倍以上，生产效率相应提高；其次，在控制精度上,力矩电机驱动和传统的蜗轮蜗杆传动相比，控制精度可以提高一个数量级；再次，直驱使用寿面相对较长,因为直驱方式没有蜗轮蜗杆等传动装置，可以减少摩擦。因此转台设计采用电机直驱技术。

3旋转工作台的承载方式

根据工作台在运动过程中所受摩擦力形式, 可以把它的承载方式主要分为三类：液体静压导轨承载、滚动导轨承载、滑动导轨承载[4]。滑动导轨刚性好，结构简单，但是摩擦阻力大，磨损较快，对导轨轨面制造的要求很高。且滑动副间动摩擦因数与静摩擦因数差别较大，可能导致机床产生爬行现象，目前这种方式几乎被淘汰，其中有一种采用贴塑的滑动导轨仍有部分机床在使用，这种导轨摩擦因数约为0.04。滚动导轨的优点是：摩擦系数较小，约为0.005[5]。由于动摩擦因数与静摩擦因数差别不大，因此不易出现爬行现象。定位精度高，但是因为阻尼小而容易引起超调或振荡，且滚动导轨刚度低，制造困难，对脏污和轨面误差较敏感，从而使滚动导轨的使用受到了较大的限制[6]。静压导轨又有开式和闭式两种结构。开式静压导轨是力封闭，必须依靠外力，如工作台自身重量来保证动导轨(工作台)与定导轨不分离，结构如图1所示，其主要应用在载荷均匀、偏载较小的场合。

1.工作台 2.静压油腔 3.机壳 4.静压油腔 5.芯轴图1　开式回转工作台结构

闭式静压转台属于几何封闭，主要借助本身的截面形状来保证轨面的正确接触，结构如图2所示。和开式静压转台相比，其精度和稳定性更高，承受颠覆力矩和偏载荷的能力更强，并可解决开式静压回转台浮起高度不受控制的问题。所以在设计中采用闭式结构。

1.工作台 2.法兰 3.静压油腔 4.机壳5.静压油腔 6.芯轴图2　闭式回转工作台结构

4静压工作台供油方式的分析

图3　恒压式

液体静压回转工作台供油方式主要分为恒压和恒流两大类。如图3 所示，一个节流器被两个静压油腔共同使用,液压系统中装有溢流阀，用来调整系统油压压力,使供油压力安全合理, 即所谓恒压式。 如图4所示，每个静压油腔各装有一个油泵，且供油回路中没有安装节流器，即为恒流式。

图4　恒流式

两种供油方式比较如下：

(1)采用恒压式供油，由于在实际工作中工作台受力可能不均匀, 设备本身刚度有限等因素使得基础件加工精度和装配所要求的精度均难达到。这可能会导致各油腔压力并不均匀, 假如油腔中有某个油腔的压力值达到或接近油泵压力时, 静压就会被破坏。若采用恒流供油,这种现象就不会发生，因为系统中没有溢流阀，只要系统供油充分, 就能够建立静压，形成静压油膜，始终使导轨与工作台处于分离状态。

(2)在实际应用中，机器加工中的金属剥落,外界环境存在尘埃等因素可能会使液压油污染, 从而导致节流器堵塞，破坏静压建立。假如采用恒流供油,由于供油回路中没有安装节流器,便不会有堵塞现象发生，但仍需要精滤液压油,以防导轨刮伤。

(3)采用恒压式供油，当供油压力不平衡时，如液压油在导轨油腔中的压力值低于油泵供油压力值时,在节流器进出口会产生压力降,此时就要依靠系统中的溢液阀溢流来调节供油压力,这即需要消耗功率,同时又会有热量产生,产生的热量会导致液压的油温度升高,从而导致导轨的热变形量增加,影响机床导轨运动精度。

综合上述之比较,采用恒流的供油方式是较为合理的。

5转台旋转角度的检测方法

角度测量是实际测量工作中基本组成之一，测量技术已较成熟。其又可分为动态和静态测量两种类型。两者相比，静态测量技术是基础，目前静态测量的重点是放在如何实现测量分辨力和测量精度更进一步突破上[7]。转台旋转角度测量方式可以分为：电磁式、机械式、光学式。传统机床中转台的分度绝大部分采用机械式多齿盘，齿盘的齿数决定其测量范围，齿间分度误差比较难测出。由于光学式测量技术具有高准确度和非接触等优点，目前应用较多。光学测角方法又有可以分为几类，如环形激光测角法、圆光栅测角法、激光干涉测角法等[8]。相比而言，圆光栅测角法是比较常用的，但其在转台回转速度达到每秒几转时分辨率较低，且并不适合应用在大型转台上，因为制作大型号圆光栅比较困难，且成本太高；激光干涉测角法一般用于小角度测量，技术以很成熟，一些欧美国家将这种方法定位小角度测量的基准；环形激光测角法转速测量准度较高，一般用于转台速度较高的情况。电磁式测角法又主要分为两大类：圆磁栅测角法、旋转式感应同步器测角法。旋转式感应同步器输出电信号很微弱，为保证测量值准确，需配以放大电路来处理信号，比较麻烦；相比而言，直线磁栅使用起来更加简便，可以把其当作圆磁栅使用直接固定在回转工作台外圆周上。这些圆磁栅对工作环境适应能力较强，精度较高，且寿命较长，维护简单，因此被广泛采用。

6转台结构

回转工作台的结构如图5,电机转子12通过螺钉连接固定在法兰6上，又通过螺钉连接把法兰6和工作台3连接在一起，再通过螺钉连接把电机定子13固定在工作台底座1上，此时只要电机旋转，就可以直接带动工作台3回转；在液压泵恒流供油的情况下，静压油腔10和静压导轨油腔14中将充满高压油，当压力值足以克服外载荷时，动导轨(工作台)与定导轨将实现分离，二者接触面之间会形成一层静压油膜，使其作纯液体摩擦运动；静压向心轴承的结构是：采用螺钉连接把静压向心轴承7固定在支撑架座9上，其外圆表面上均匀开有静压油腔8，在液压泵恒流供油下，静压油腔8中将充满高压油，从而与法兰6外圆表面之间建立静压，形成一层静压油膜；工作台3外圆表面上开有凹槽，用来安装磁栅的固定尺19，采用螺钉连接把磁栅读数头21固定在2机壳上，读数头21和固定尺19组成测量系统，根据此测量系统测量得到的数据来直接控制电机，从而构成一个闭环系统。通过17铆钉连接把18防护罩固定在工作台上，用来保护磁栅测量系统不受污染。支架9通过螺钉固定在底座1上，环抱式液压自动套11通过螺钉连接固定在支架9上，在恒流供油的情况下向外膨胀，依靠与转子12之间的摩擦力来实现制动[9-10]。

1.底座 2.机壳 3.台面 4、5.螺钉 6.法兰 7.静压轴承 8.静压轴承轴向油腔 9.支架座10.静压油腔 11.环抱式制动套12.转子 13.定子 14.静压导轨油腔 15.回油槽 16.O型密封圈 17.铆钉 18.防护罩 19.磁栅固定尺 20.螺钉21.磁栅读数头图5　回转工作台的剖视图

7结束语

通过以上对大型闭式恒流静压直驱转台关键技术的分析，本设计最终确定转台驱动方式为电机直驱、转台承载方式为闭式静压导轨、转台供油方式为恒流供油。工作台中心轴轴承采用静压向心轴承来取代传统的普通轴承。采用磁栅尺作为转台角度测量的工具，简便，稳定。所设计的闭式恒流静压转台结构和传统转台相比，优点颇多，具有一定的参考价值。可以广泛应用在大型车床，加工中心等机床上。

参考文献：

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Design of large closed constant flow hydrostatic direct-drive turntable

ZHOUPeng-liang,LIUHai-min

(School of Mechanical Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)

Abstract：Through analyzing the key technologies of the large working turntable of machine tool:driving type, bearing way, oil providing way and the angle measure-ment method, a structured design of large closed constant flow hydrostatic directly driving turntable was presented, combined with a closed constant flow hydrostatic guideway (bearing) technology, motor directly driving technology and magnetic grid measurement technology. The turntable can be widely used in large vertical lathe machining and CNC machine tool.

Key words：direct drive motor; hydrostatic journal bearing; closed constant flow hydrostatic guideway; magnetic grid measurement

中图分类号：TH 705

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2016.01.015

文章编号：2095-7386(2016)01-0066-04

作者简介：周鹏亮(1988-)，男，硕士研究生，E-mail:735978701.@qq.com.

收稿日期：2015-12-07.