大型直驱静压转台关键技术的分析与结构设计

孙渊涛，杨建玺，崔凤奎，王东寅

(河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003)

随着我国装备制造业的迅速发展，零件形状的复杂程度及精度要求也越来越高，生产周期也越来越短，传统的加工设备很难再适应现代装备制造业多样化、柔性化与复杂零件的高效率、高精度的加工要求，因此数控机床正朝着高速、高精度多轴联动的方向发展。其中大型高精度数控回转工作台是大型数控机床多轴联动的关键部件，因此对其关键技术的研究与开发是各国竞争的重点，它涉及到军工、精密机械、矿山机械、风力发电等行业的发展。尽管近年来我国在大型机床的研究与开发方面取得了一些可喜的成绩，但对于一些关键零部件如大型高精度直驱式旋转工作台及控制系统的研究及应用与国外发达国家相比还有一定差距。

针对上述大型精密旋转工作台发展的现状，作者对回转台的传动方式、承载形式和转台旋转角度的检测方法等一些关键技术进行分析，并对这些关键技术的种类进行比较，最终选用力矩电机直接驱动作为大型精密转台的传动方式、静压导轨作为大型精密转台的承载方式、静压向心轴承作为大型精密转台中心轴的支承方式、磁柵尺作为大型精密转台角度测量与反馈控制方式，给出了一种大型精密转台的结构设计方案，该结构可广泛应用于立车、滚齿机、加工中心等机床上。

1 旋转工作台的驱动方式

直驱 (Direct Drive)电机技术是指用一种新型电机直接驱动运动部件运动，省掉了中间一系列的传动环节。它一般分为直接驱动部件做直线运动的直线电机驱动和直接驱动部件做旋转运动的力矩电机驱动［1］。力矩电机 (DDR)是在20世纪50年代初期就被提出，但由于当时使用高速伺服电动机再经过齿轮等减速机构来驱动负载已经能够满足要求，再加上受当时电机控制技术的限制，致使力矩电机没有得到很好的应用与发展。直到在20世纪90年代初，国际上才开始应用，现已经进入广泛应用阶段。

传统大型机床的旋转工作台是由电机旋转产生动力，并通过蜗轮蜗杆将动力放大，从而驱动工作台旋转。这种驱动方式的缺点是传动链比较长，传动累积误差也比较大，虽有较好的静态刚度，但这种驱动方式在完成启动、加速、减速、反转及停车等运动时容易产生较大的弹性变形、摩擦和反向间隙等，这些会造成工作台振动、动态刚度差，从而使转台伺服系统对动态干扰的抑制能力变差［2］。另外传统的大型旋转工作台为了在精度上、速度上取得进步，不得不付出更高的制造成本，而且成本的提高和性能的提高并不成比例。力矩电机作为近十年来世界范围内新兴的传动技术，具有传统传动无法比拟的优越性:首先应用力矩电机驱动，工作台的线速度可以提升到150 m/min以上，转台转速可以达到每分钟几百转，从而使生产效率提高10倍以上;其次，在精度上，力矩电机驱动可以使工作台轻松地实现角秒级的灵敏度，而传统的蜗轮蜗杆传动大多只能实现角分级的灵敏度，力矩电机驱动能使工作台的精度提高一个数量级;再次，在转台寿命方面，力矩电机直接省掉了中间的机械传动部分，从而可以减少磨损，减少转台的维护，提高转台的使用寿命，从长远来说降低了成本。

2 旋转工作台的承载方式

旋转工作台的承载方式主要分为:普通的滑动导轨承载、滚动轴承作为回转的导轨承载、液体静压导轨承载、气浮导轨承载等形式。普通的滑动导轨又分为金属直接对金属或者金属对贴塑导轨和喷塑导轨之别:金属直接对金属的导轨结构由于摩擦力比较大，所需的驱动力矩也比较大、发热、爬行比较严重，从而使工作台寿命比较短，功率消耗大，效率比较低，所以现在的数控机床基本上已不再采用;贴塑导轨或喷塑导轨在机床的局部领域仍有应用，不过摩擦因数约为0.04［3］。滚动轴承作为回转的导轨摩擦因数约为0.005，但其成本较高，抗振动冲击的能力比较差，结构复杂［4］，大直径滚动轴承dn值比较低，从而使大直径工作台的转速受到了较大的限制［5］。静压导轨又有卸荷、开式、闭式导轨3种结构，这3种结构又各有不同的特点:其中卸荷开式静压导轨在大型机床上有它的缺陷，因为70%左右的载荷都集中在几个卸荷点上，容易使导轨产生变形，同时在作低速进给运动和定位调整时，它不能够满足数控机床控制要求，无法消除机床运动时的爬行。开式静压导轨的优点是使用寿命长，对导轨材料的要求不高;摩擦因数比较小，约为0.000 5，属于纯液体摩擦，并且低速下不爬行，速度和载荷变化对油膜刚度影响也比较小，工作比较稳定;与滚动导轨相比，抗振性能好［6］。闭式静压导轨不但具有开式静压导轨的一系列优点，而且精度和刚性较开式静压导轨有所提高，特别是抗偏载的能力较开式静压导轨有较大提高，多用在大型精密重载机床上。气浮导轨的优点是摩擦因数和发热量均很小、几乎无磨损、精度很高、不存在污染和辐射等优点，但静压气浮导轨最致命的缺点为承载能力小、刚度和稳定性比较差以及制造安装精度要求高等，常用在高速、高精度以及小型低载的场合，这些缺点限制了它在大型重载场合的使用。

3 转台旋转角度的检测方法

角度测量是测量技术的重要组成部分，迄今为止各种角度测量手段发展已较为完备，并且这些手段的综合运用使测量精度达到了很高的水平。角度测量技术可以分为静态测量和动态测量两种，对于静态测量技术来说，目前的主要任务集中在如何提高测量精度和测量分辨力上。角度测量技术中最早研究的是机械式测角技术，一般为多齿盘分度，角度测量范围根据齿盘的齿数而定，所以测量精度和测量分辨力比较低。现在一般多用电磁式和光学测角技术，光学测角方法主要有圆光栅测角法、光学内反射小角度测角法、激光干涉测角法、环形激光测角法等，圆光栅测角法应用得虽然比较广泛，但其与转台的对心准确度要求比较高，使用环境比较苛刻，且大直径圆光栅制作较为困难，价格昂贵，并不适合大型转台的分度与测量;光学内反射小角度测角法测量范围很小，一般用于小角度测量;激光干涉测角法所做的仪器体积庞大，并不适合现场使用;环形激光测角法只能实现动态测量，且对测量条件要求比较高［7］。电磁式测角法主要分为旋转式感应同步器测角法和圆磁柵测角法，旋转式感应同步器输出信号比较弱，且信号处理麻烦，配套用于信号处理的电子设备 (一般为数显表)比较复杂，价格比较高;磁柵安装简易，可以将直线磁柵直接贴在工作台外径圆周方向从而把其当作圆磁柵用，这些圆磁柵的分度精度与工作台直径成正比，即工作台直径越大，磁柵的分度精度越高，并且磁柵允许有较大的安装误差，维护方便，可用于大型机床工作台恶劣的工作环境。

4 大型直驱静压工作台结构与工作原理

在图1中，力矩电机为无框架式无刷直流力矩电机，其定子4通过螺钉和工作台底座15相连，转子8通过螺钉和法兰13相连，法兰13又通过螺钉和工作台2相连，这样在力矩电机旋转的情况下直接驱动工作台旋转;在恒压供油的情况下，工作台底座上均匀分布的静压导轨油腔3和静压向心轴承上均匀分布的静压油腔12组成类似闭式静压导轨的结构，从而使工作台上浮一定高度;静压向心轴承结构是:静压向心轴承9通过螺钉14固定在工作台底座上，静压向心轴承油腔11均匀分布在外圆柱面上，进油管均匀分布在静压轴承内孔侧壁上，在恒压供油的情况下，使法兰13内圆偏离静压向心轴承9外圆一个油膜厚度;磁柵的固定尺19固定在工作台外圆周凹槽面上，磁柵读数头21通过螺钉固定在底座上，有磁柵的固定尺19和读数头21组成磁柵测量系统，并通过它们的反馈的信息直接控制力矩电机，从而形成一个闭环测量控制系统;防护罩18可以通过铆钉17固定在工作台外圆周面 上，可以对磁柵测量系统起保护作用。

图1 大型直驱静压转台的结构剖面视图及磁柵安装位置Ⅰ处的局部放大图

5 结束语

通过以上对大型精密转台关键技术的分析，最终选取力矩电机作为驱动方式、闭环静压导轨作为承载形式、静压向心轴承作为工作台中心轴的支承方式、磁柵尺作为旋转角度的检测手段 (磁柵尺反馈的信息直接控制工作台的分度与定位)，设计了一台大型直驱静压转台，此转台与传统的机床转台相比有大量优点，可广泛应用于大型滚齿机、立车、加工中心等数控机床。

［1］王红旭，魏巍.直接驱动技术的发展及其应用前景［J］.制造技术与机床，2008(6):150－154.

［2］孙宜标，金石，王成元，等.数控转台回转送进系统动态伺服刚度的H∞鲁棒控制［J］.组合机床与自动化加工技术，2007(8):64－67.

［3］路文忠，范长庚，潘高星，等.重型机床的转台导轨与轴承再制造方案［C］//2009第八届全国数控设备使用、维修与改造经验交流会论文集，2009:28－31.

［4］韩文渊.数控回转工作台［J］.装备机械，2010(1):62－73.

［5］青海一机数控机床有限责任公司.一种大型铣车加工中心的静压直驱转台装置:中国，CN201120477429.1［P］.2012－08－08.

［6］陈燕生.液体静压支承原理和设计［M］.北京:国防工业出版社，1980.

［7］浦昭邦，陶卫，张琢，等.角度测量的光学方法［J］.光学技术，2002，28(2):168－171.