数控回转工作台的夹紧定位机构探讨

沈阳机床(集团)有限责任公司 徐吉存

首先通过对数控回转工作台的夹紧定位机构的设计与选型进行研究，其次对液压、气动、齿盘等几种不同形式的数控转台夹紧定位机构的结构及其优缺点进行详细的论述。最后建议在设计转台夹紧定位机构时应根据所设计回转工作台的应用场合选择合适的夹紧定位机构。对于重切削的工况，应选用大夹紧扭矩的夹紧定位机构，而针对精密零部件的加工，要选用高刚性的夹紧定位机构。

数控回转工作台是加工中心实现五轴联动的关键性功能部件，能够为数控机床五轴联动提供第四轴和第五轴回转运动。数控回转工作台的夹紧定位是保证加工精度的关键技术，当数控回转工作台旋转到指定位置必须夹紧定位才能保证工件加工时不会产生位置偏移，而单纯靠驱动装置很难实现此功能，因此需要夹紧定位装置实现此功能。本文主要介绍数控回转工作台常见的夹紧定位装置，并对其工作原理和设计方法予以阐述。

一、液压式夹紧机构

液压夹紧是目前数控旋转工作台的常用夹紧方式，比传统刹车片具有更高的夹紧力和夹紧扭矩。

1.摩擦片式夹紧装置

摩擦片夹紧结构如图1所示，摩擦片固定在旋转座上面随旋转座一起转动，布置在摩擦片上方的活塞在液压油的推动下压紧摩擦片，实现夹紧动作。活塞行程一般为1mm，夹紧油压一般为20bar～50bar。

图1 摩擦片式夹紧装置

单摩擦片夹紧力矩与摩擦片的摩擦系数和尺寸，以及夹紧油压P相关，如公式1所示。

式中：

T——夹紧力矩，单位为牛米；

u—— 摩擦片摩擦系数；

P——夹紧油压，单位为巴；

R——摩擦片作用面外径，单位为毫米；

r——摩擦片作用面内径，单位为毫米。

摩擦片由于受到空间结构限制其作用面积较小，因此其夹紧力和夹紧扭矩受到限制，只能应用于扭矩要求较小的回转工作台，为了解决此问题可采用多摩擦片式夹紧机构，如图2所示为多摩擦片夹紧定位机构，旋转座内环面安装多片摩擦片，随旋转座一起转动，旋转座下方底座的上方安装多片固定摩擦片，摩擦片上方组装挤压摩擦片的活塞装置。底座外缘放置回弹装置，起到分离摩擦片和固定片的作用。两片安装在转动座底面的摩擦片，配合两片安装于底座的固定片，相互交叉排列，摩擦片与固定片按照薄板环片加工制作。

图2 多摩擦片式夹紧机构

多片式刹车装置相比普通刹车装置增加多层摩擦面，刹车力提高2～3倍，且结构简单、可靠，克服了单刹车片摩擦力不足、容易产生滑移的缺点，具有方便实用的特点。

2.环抱式夹紧机构设计

摩擦片式夹紧装置是在旋转件轴向施加夹紧力，而环抱式夹紧定位是在径向施加夹紧力，通过产生摩擦扭矩来达到夹紧定位的目的。

环抱式夹紧机构一般采用胀紧套为夹紧机构，如图3所示。胀紧套是由特殊材料制成的弹性元件。当液压油经过管路均匀充满整个胀紧套时，胀紧套在液压油的推动下夹紧旋转座，实现转盘的制动。环抱式夹紧面与数控回转工作台能大面积接触，具有高刚性和耐重切削的特性,胀紧套厚度一般为5mm至10mm。

图3 环抱式夹紧机构

环抱式夹紧力矩与胀紧套面积、压力以及材料的摩擦系数相关，公式如下：

式中：

M——夹紧力矩，单位为牛米；

u—— 摩擦系数；

D—— 胀紧套夹紧面外径，单位为毫米；

H—— 胀紧套夹紧面有效作用高度，单位为毫米；

P—— 夹紧油压，单位为巴。

二、气动抱闸夹紧定位

气动夹紧是利用气体压力压紧环形刹车片从而阻止回转轴的转动。图4为HEMA公司生产的气动钳夹式夹紧机构。向OPEN口内充入压缩空气，弹性皮腔会鼓起，从而缩短摩擦片与旋转件的距离，此时旋转件为松开状态。当旋转件旋转至指定位置后，弹簧皮腔内部的压缩空气被排放，弹簧皮腔得到放松并沿径向伸展，压紧摩擦片，抱紧旋转件的旋转轴，达到夹紧的目的。

图4 气动钳夹式夹紧机构

气动钳夹式夹紧机构由于使用了气动装置能够快速反应，比液压装置更加简便，成本更低廉，清洁度高，更加安全。

三、端齿盘夹紧定位机构

端齿盘夹紧定位是通过动齿盘与静齿盘的分离、旋转和啮合完成转台的分度与夹紧动作，如图5所示。端齿盘只能用于固定角度的夹紧定位，最小分度单位与齿盘的齿数相关，一般情况下，齿数越多，定位精度越高，啮合精度越高，定位精度越高。

图5 端齿盘定位

端齿盘按齿形可分为直齿和弧形齿，按照齿槽深浅分为刚性齿盘和弹性齿盘。端齿盘定位精度高，通过凹凸齿的啮合能实现自动定心，高刚性，承载能力强。

端齿盘的夹紧力是体现承载能力的重要标志，但不应过大，否则会引起齿盘变形而影响加工精度。

差动齿盘是齿盘定位的另外一种形式，它是把两对齿数不相同的齿盘A和B叠放在一起，且使A的下齿盘和B的上齿盘连结在一起，组成I、II、III三层结构，如图6所示。相对一对齿盘能够旋转的角度更小。

图6 差动分度齿盘

四、结语

夹紧定位机构是数控回转工作台实现夹紧定位的核心部件。目前大多数数控回转工作台制造厂家常采用端齿盘、液压和气动等几种夹紧定位机构来实现夹紧定位。设计者应根据所设计回转工作台的应用场合选择合适的夹紧定位机构。对于重切削的工况，应选用大夹紧扭矩的夹紧定位机构，而针对精密零部件的加工，要选用高刚性的夹紧定位机构。随着科技的不断发展，数控回转工作台正朝向高精度、高效率、高可靠性的方向发展，作为数控回转工作台的关键部件，夹紧定位机构也正在不断的改进与创新。 □