数控回转工作台设计与研究

零梅勇

（广西理工职业技术学校，广西南宁 530031）

0 引言

数控回转工作台主要以轴联动进行工作，五轴联动可以对摆动和回转两个轴的坐标进行定位。数控回转工作台的定位精度和速度平稳性是数控机床的重要指标，在设计中要格外注重提升数控工作台的精度和平稳度，提升对数控机床的控制。五轴联动数控机床是当前最能体现国家工业发展程度的指标，针对其的总体结构、原理、设计要点等方面展开论述。

1 五轴联动数控机床概述

数控回转工作台由滑座、工作台、床身、主轴组件、滑座直线进给装置、控制装置等部件构成。床身的作用主要是承载，一般要求床身基础强度较好、精密度较高，在床身设置有回油装置，和回转工作台通过管路相连接，实现液压油的循环利用，保证数控回转工作台的稳定工作[1]。滑座位于床身上，其上设置有工作台，两者之间通过环形静压导轨结构相连接，从而保证工作台具有一定的承压能力，同时能够进行精准的定位。在实际的工作中，即使出现偏心载荷的情况，也可以确保工作台具有良好的精度。工作台定位装置由数控系统控制，定位键往上插进工作台的定位槽中实现精准定位，定位键往下运动退出工作台的定位槽后，工作台的回转电器开关脱开，电机就可进行正常工作。工作台有着一套精密度十分高的轴承，以此来提高轴承向工作台添加的预紧力，确保工作台具有较好的端面跳动精度。工作台上安装有圆光栅，可以对工作台的运动轨迹进行定位，确保其运动形成的是闭环，保证工作台具有十分高的分度定位精度。

根据轴承数的不同，可以对数控回转工作台进行分类，五轴联动数控回转机床是当前比较能够代表我国工作发展状况的一类设备[2]。五轴联动数控机床又叫做五坐标机床，这种机床在原来三轴的基础上又添加了两个轴，不仅能实现沿X、Y、Z 轴的直线线运动，还能实现绕着X 轴和Z 轴的旋转运动。五轴联动数控机床可以实现任意方向上对刀具的控制，同时轴线也可以在一定范围内随意转动。五轴联动数控机床有以下特点：①能够有效消除刀具的干扰，具有广泛地适应性，可以对复杂的零件进行加工；②对于立体形状的零件，可以采用直径较大的刀具逼近其表面开展进一步的加工，利用五轴联动数控机床工作可以实现较少的走刀次数，零件的加工余量残留较少，进一步提高工作效率；③五轴联动数控机床可以使零件表面呈现出最好的切割状态，如球头刀加工时可以有效避免球头底部的切割，刀具所承受的力是相同的，因此受力情况和变形情况保持一致，零件表面的误差不会相差太多，进一步提高了零件表面的平衡性能，在提高加工效率的同时也保证了零件的质量；④对直纹面类型的零件，可以采用一刀切的方式，成品质量好的同时工作效率也提高。

2 数控回转工作台的设计

2.1 工作原理

数控回转工作台是数控钻床的分度回转附件，其结构较为复杂。数控回转工作台有两个作用：①使工作台严格按照圆周的形状进行切削工作，完成闭合；②使工作台能够分度开展工作。数控回转工作台能够在系统的控制下，在需要时完成上述的切削任务。在实际的工作中，数控回转工作台由电机驱动，采用变化速度的方式进行工作，其工作的精确度完全由控制系统来决定[3]。在设计上一般采用分箱体式结构，以此来进一步增加数控回转工作台的准确度和承力强度[4]。数控回转工作台的主要构成部分有回转主轴、工作花盘、基座、导航等。

五轴数控回转工作台的回转轴有两种形式：工作台回转和依靠立式主轴头回转。工作台回转是通过机床数控系统来实现的，该系统先输出数个脉冲到电机，然后电机通过联轴器实现和蜗杆的连接，在蜗杆的带动下，蜗轮开始减小速度，然后在蜗轮轴上安装齿轮以消除缝隙，齿轮带动着齿圈传动，从而使工作台主轴带动工作盘面回转，在电机将进给脉冲输出完成前几秒，数控系统向电机发出指令要求减速以减少停止时的冲击力度，当转台回转到既定位置的时候，电机就执行制动命令，通过电机的零转速制动力矩实现工作台的回转制动。

2.2 数控回转工作台的设计

根据功能的不同，可以将整个数控回转工作台分为两个部分：圆周部分和摆动部分[5]。根据传动结构的不同又可以将两个部分进行细分：齿轮传动部分和蜗轮蜗杆传动部分。

圆周回转部分的设计，这部分计算可以分为两个部分：对蜗轮蜗杆和齿轮传动部分的计算。对圆柱齿轮传动部分的设计包括材料选择、参数设定、螺旋角度的选择、齿轮直径计算等。对于蜗轮蜗杆传动设计主要包括齿数、蜗轮蜗杆材料、效率计算、热平衡计算等。工作参数按照相应的设计要求确定，工作台主要用来对钻床上连续孔的精确分度，因此在实际的工作中需要根据钻削加工的切削力度和扭矩进行设计。在切削过程中工况比较复杂，因此，一般按照以下经验公式进行计算：

式中，CM表示不同切削条件和材料下的扭矩计算系数；CY表示不同切削条件和材料下的轴向力计算系数；d0表示钻头的直径，单位mm；f 表示走刀量，单位mm/r；K 表示切削力修整系数；W 表示角速度，单位rad/s。

对于蜗轮蜗杆的设计，在数控转台中，侧隙的存在会对定位的准确性造成极大影响，在实际工作中要尽量减少甚至消除侧隙对数控转台精度的影响。双导程蜗杆传动可以有效改变啮合侧隙的特点，使其结构更加紧凑，方便调节。在设计中，应该先按照相关标准对蜗轮蜗杆的结构及参数进行设计，再对齿轮厚度进行调整，将其设计成双导程渐厚蜗杆[6]。这种蜗杆的工作原理和一般蜗杆的工作原理一样，其横截面相当于基本齿条，蜗轮则相当于齿轮。左右两边齿轮的间隔距离是不一样的，但是同一边的齿轮间隔的距离是一样的，因此啮合条件并没有被破坏。当轴向移动蜗杆之后也能实现两者较好的吻合。在进行计算时一般按照以下公式：

公称模数t中=（t左+t右）/2

齿厚增量系数k=（t左+t右）/t中=2t差/t中=2m差/m中

此外，还需要确定齿轮厚度调整量，齿轮厚度值是为了对出现的误差进行补偿，根据误差值和最大允许磨损量来确定的，按照相关标准建议选择0.44 mm。

对于精确定位和工位锁紧的设计，由于工作台幅面的设计尺寸一般比较大，因此在实际设计中主轴回转会具有较大的转动惯量，这不便于进行精确定位。在设计时，需要安装制动器，帮助主轴实现短时间内的制动和工位保持[7]。这种制动器在工作时主要通过电磁力将制动器上片和安装板压实，通过摩擦力抱紧主轴，确保工作台定位精准。在进行分度回转时，要保证制动器处于得电的状态，磁力为零，这时安装板和制动器处于分开状态，主轴可以进行回转分度；在完成分度工作之后，制动器又呈现失电状态，主轴又可以实现快速制动，确保分度精度。

3 结束语

针对数控回转工作台的工作原理和设计方案，精度要求较高的机械对数控回转工作台的要求也比较高，要求数控回转工作台具有较为稳定的速度和较高的工作精密度。在实际的设计工作中，可以通过双导程蜗杆蜗轮结构来提升数控回转工作台的回转定位精度，以此提升整个数控回转工作台的工作质量和效率，进一步提高我国的工业程度。