数控回转工作台关键技术研究

MACHINE CHINA

中国机械

2019年第2期

数控回转工作台关键技术研究

周鉴明

（ 齐齐哈尔二机床集团有限责任公司 黑龙江 齐齐哈尔 161000）

经济和科技的飞速发展对当前阶段的各行各业都产生了非常大的影响，尤其是数控机床正朝着高精度方向飞速发摘要：

展。国际上也将一个国家高精度机床的应用状况作为评价这个国家工业化水平的重要指标，其中数控回转工作台是联动

数控机床的关键部件，对于数控回转工作台的研究一直受到各个国家的广泛关注。本文根据国内外数控机床研究现状，详细介绍了几种数控工作台结构类型，希望对相关人员有所帮助，仅供参考。关键词：

数控回转工作台；关键技术研究1 国内外数控机床研究现状

数控机床是体现一个国家制造业发展水平十分重要的象征，其中代表机床制造业发展最高境界的是高速、精密和多轴联动的数控机床。相较于国外发达国家，我国数控回转工作台的研究起步并不晚，时间约在20世纪70年代，可以说与发达国家对数控机床的研究时间相差无几，但受到多种因素的影响导致我国并没有对数控机床的研究予以足够的重视，之后在20世纪90年代数控机床投入使用之后，国家才对数控机床引起了足够的重视，并且在20年时间发展下，我国数控机床的发展状况已经与发达国家相差无几。尤其是最近几年五轴联动数控机床的推出更是让我国的数控机床发展水平上升到了一个非常高的地步。

“十一五”期间，我国在高端数控机床关键技术的研究方取得了非常大的突破，这其中的五轴联动技术、复合加工技术等都进入了实际应用的阶段，并且对多坐标联动关键技术也有所掌握，带AC摆角的复合铣头，尤其是五轴联动编程和应用技术的落实直接打破了已有的国外技术封锁问题，使我国制造业的发展迈出了非常重要的一步。

然而基于现有的对于数控回转工作台的研究基础，我国进一步的研究也面临着非常艰难的问题，尤其体现在高精度数控回转工作台的研究过程中，往往单纯追求某一个性指标，转而忽视了工作台的整体效能，如数控回转工作台的运转精度与运转速度之间无法实

图1 双转台机床现有效兼顾，集中表现为系统的精度越高，对分辨率的要求也就越高。但是系统的运转速度上限值是固定的，如果系统的运转速度持续处于高位状态，必然会让工作台处于长时间高负荷状态下运转，降低工作台的使用寿命。

此外，高精度数控机床的定位精度与分辨率的要求可到亚微米级或纳米级别，这一精度的设备必然会对工作台的运作环境有非常高的要求，温度、湿度等外部环境的变化将会直接影响到工作台的定位精度，甚至影响工作台系统运转的稳定性。

2数控工作台结构类型2.1双转台机床

如图1所示，这一结构类型主要指的是两个转动轴都可作用于工件上，并且基于运动的相对性原理，双转台机床的刀具运转过程中所产生的本质效果是统一的。基于上述条件，双转台机床结构是定、动轴结构的混合型，动轴的位置与工件位置相贴合。这一机床的优势在于能够为工作台运转的刚性予以足够的保障、工艺生产品的适用范围较广，并且操作过程相对较简单。但是双转台机床在运转的过程中容易受到产生小幅度的摆动，对底座的固定性要求较强，并且只适合小规模的零件加工。

2.2双摆头机床

如图2所示，这一结构的设备的两个转动轴都位

图2 双摆头机床

2019年第2期

MACHINE CHINA

中国机械

仪表仪器设备

于刀具上，由刀具绕两个互相正交的轴转动。这一机床构建方式借鉴了“圆规”的工作原理，将一轴处于固定状态，位置不变，称之为定轴；一轴围绕的定轴转动，成为动轴。两轴在相互运转的过程中实现对产品的刻画，定轴与动轴的搭配可保障动轴能够从任意角度实施工作。

上述工作方式决定了这一类机床的工作必然具有较高的效益，结构灵活，对于复杂产品的刻画效果较强，常广泛。但是这一传统工艺也有着非常显著的缺点，尤其体现在无强制冷却润滑时不能长时间工作，一旦超负荷工作会容易导致电机烧坏等现象，其次表现为工作效率低。也就是说如何提升这一传统方式的耐磨性，如何在运转的过程中降低设备的温度，如何提升设备的传动效率，成为制约这一设备能否被更广泛地应用和普及的关键。这一传动方式在运转的过程中，齿面会造成非常大的磨损，并且在这一剧烈的磨损过机床的控制方式非常简单；但是双摆头机床的构造非常复杂，并且一般刚性较差。

2.3摆头转台机床

图3 摆头转台机床

如图3所示，这一结构的机床刀具自身与工件之间不存在逆运行关系，两者在运转的过程中，始终朝着同一个方向运行。该种工作台的特点介于上述两种工作台的特点之间，摆头及转台机床的五坐标轴分别是由X、Y、Z、B和C组合而成，并且这一工作台可围绕Y轴进行摆动，同时工作台还可围绕Z轴进行转动，所以称之为摆头转台机床。

3数控回转工作台实现方式

结合已有的资料显示，国外对于数控回转工作台实现方式主要有以下几种：滚动齿蜗轮蜗杆副回转工作台、直接传动电机驱动回转工作台、伺服电机驱动齿轮齿条副回转工作台这几种方式。

3.1滚动齿轮蜗杆副回转工作台

这一传动方式在已有的机械工业应用过程中非常广泛，这传动方式具有传动比例较大，工作过程平稳，工作噪音小，结构紧凑，承重能力强等优势。相较来说，这一传动方式的造价最低，因此在小型企业中应用非

程中，整个设备会出现骤然升温的情况，非常容易导致电机损坏，并且在工作的过程中会造成非常多的额外损耗。

滚动齿涡轮副改变了涡轮的传统结构形式，具体工作流程如图4所示，可将涡轮的轮尺改为可以绕销轴轴心自由回转的曲面滚柱，大大提升工作效益。此外这一涡轮副因为采用了滚动式传动的方式将原有的以摩擦带动传送的方式转变为齿轮之间相互联动的方式进行传送，大大降低了在运输过程中所造成的摩擦力，降低了设备的运转温度，降低了运转过程中所造成的损耗。但需要注意的是整个设备有非常多的齿轮所搭配完成，因此一旦运转之后，如果出现骤停或在这段时间内便停止的现象，非常容易导致齿轮之间会出现磨损，降低设备的使用寿命，因此这一运输方式适合在大体量的产品运输过程中使用。

图4 滚动齿轮蜗杆副回转工作台3.2直接传动电机驱动回转工作台

该直接传动电机驱动回转工作台是由回转工作台本体和与之相匹配的专用伺服驱动装置所组成，所采用的电机驱动工艺是步进电机驱动，也就是说可以通过编程的方式，对于这一电机的运转各个流程进行详细地把控具体的操作系统如图5所示。

图5直接传动电机驱动回转工作台

仪表仪器设备

MACHINE CHINA

中国机械

2019年第2期

直接传动电机驱动回转工作台的主要部件是由高精度步进电机，高分辨率光学编码器及液压悬浮支撑轴承等结构构成，该设备所使用的轴承是一个可以从任意方向对运转负荷进行高强度承受的精密十字型液压悬浮轴承。

该设备的驱动装置是用于对直接传动电机进行有效控制，因此的位置与保护回路装置的位置相同，一并放于标准机盒当中。从控制气象驱动装置所说的质量，能够以逆时针或顺时针方向为旋转的串行脉冲进行输入，有效提升了设备的工作效益，因为这种串行输入的方式能够有效提升设备的接收灵敏度，能够让设备在指令下发的第一时间对于这一质量做出及时的反应。因此这一工作方式在国外收获了非常多的使用用户，国外很多高精密的回转工作台都是采用这一工作方式运行的。

3.3伺服电机驱动齿轮齿条副转工作台

伺服电机驱动齿轮齿条副转工作台的工作方式如图6所示：这一系统的运转方式是由电机带动齿轮1做高速旋转，并且在齿轮一的带动之下齿条呈直线运动，再有齿条的直线运动带动齿轮2的旋转，进而形成整个工作系统的运转整体过程。

图6 伺服电机驱动齿轮齿条副转工作台这一系统在运转的过程中，主要是通过脉冲来进行定位，电机在运转的过程中会首先接收到一个脉冲，并且会针对这一个脉冲所接受的角度进行适当调整，实现脉冲的位移，因此这一电机在运转的过程中，可以说本身便具备释放脉冲的能力，电机在运转的过程中每接收到一个脉冲信号，便会对自身位置进行适当调整，对这一脉冲信号进行反弹，也就是说，每当电机进行调整角度之后便会释放与接收量同等数量的脉冲信号。如此一来，系统在运转的过程中便可以通过电机，调整角度的次数来得知电机释放脉冲数量的多少，同时也可以得知，电梯在运转的过程中接收到了多少个脉冲信号，进而通过这种方式实现高精度地对电机进行控制。现有对于这一电机系统进行控制的方式已经非常完善，欧美等西方发达国家甚至可以对脉冲信号的精度控制在0.001mm。

3.4伺服液压驱动齿轮齿条副回转工作台

伺服液压驱动齿轮齿条副回转工作台的工作方式

如图7所示：从图7我们可以看出，这一回转工作台的主要运作方式是，首先油缸活塞杆直接与回转轴上的齿轮进行互相驱动，迫使整个系统做回转工作。当压力油进入台企，锁紧油缸2地抬起枪，一是台面3被抬起，而与定位盘4脱开。

图7 伺服液压驱动齿轮齿条副回转工作台

在同一时间，齿形离合器的两个齿圈5与指圈6做粘合效应，这一时期，分度回转油缸的活塞杆7也就是齿条，与离合器脱开，分度油缸返回原位。这一回转工作台，也可以通过采用系统进行有效控制，可以设置一个手动分度调整装置，根据需要较迅速调整到所需要的工位数。

此工作台的工作特点是驱动力非常大，转动惯量小，体积小，但是由于系统是液压驱动，存在工作台高精度驱动方面的问题。

图8 双电机驱动涡轮蜗杆副回转工作台3.5双电机驱动涡轮蜗杆副回转工作台

双电机驱动涡轮蜗杆副回转工作台的工作方式如图8所示：这一传统系统的特点是采用主轴伺服电机传动，将主电机作为主传动电机，副电机作为反向传统或反力矩电机，利用蜗杆涡轮的自锁功能区分主、副传动，且用来消除反向传动所存在的间隙，副电机传递的速度要远大于主电机传递的速度。

参考文献：

[1]苏显峰.数控机床工作台研究——以直驱静压回转工作台为例[J].黑龙江科学,2017(4).

[2]胡秋,余纬,赵鹏宁.基于直驱技术的精密数控回转工作台研制[J].机床与液压,2016(2).

[3]柳耀阳,李翔宇,韩廷超,曹铎.数控回转工作台关键技术研究[J].机械制造,2013(4).