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      摘要:文中采用靜壓導(dǎo)軌和直驅(qū)技術(shù)相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了一種用于銑車復(fù)合加工中心的靜壓直驅(qū)轉(zhuǎn)臺。通過力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，可以有效地消除傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式下由中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)引起的多種誤差，提高轉(zhuǎn)臺的精度，改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。同時(shí)轉(zhuǎn)臺配有檢測、冷卻、鎖緊機(jī)構(gòu)，保證直驅(qū)轉(zhuǎn)臺可以完成銑削轉(zhuǎn)臺和車削主軸的功能轉(zhuǎn)換，為銑車復(fù)合加工中心的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

      數(shù)控機(jī)床整體技術(shù)與功能部件的發(fā)展是相互依賴、共同發(fā)展的，功能部件的創(chuàng)新影響著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，直驅(qū)技術(shù)是高性能數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。直驅(qū)轉(zhuǎn)臺省去了齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)等機(jī)械傳動(dòng)，其“零傳動(dòng)”方式解決了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)中遇到速度、精度、制造成本上的瓶頸問題，具有精度高、速度快、無磨損、無間隙、受力狀態(tài)優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。基于直驅(qū)技術(shù)的回轉(zhuǎn)工作臺是當(dāng)今數(shù)控機(jī)床向復(fù)合化、高速化以及精密化發(fā)展的關(guān)鍵功能部件之一。該技術(shù)采用大推力力矩電機(jī)替代原有的蝸輪蝸桿傳動(dòng)，大大簡化了部件結(jié)構(gòu)，提高了模塊化水平，具有更高的控制精度和更快的響應(yīng)速度，使數(shù)控裝備的創(chuàng)新更加簡約和迅速，同時(shí)擴(kuò)大了裝備的工藝覆蓋范圍，在提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本方面效能相當(dāng)明顯。因此直驅(qū)轉(zhuǎn)臺技術(shù)目前正在成為國際制造裝備業(yè)新的設(shè)計(jì)潮流，已在實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)了超越傳統(tǒng)技術(shù)的巨大優(yōu)越性，成為了數(shù)控機(jī)床技術(shù)領(lǐng)先的象征。國內(nèi)外很多學(xué)者和工程技術(shù)人員對直驅(qū)轉(zhuǎn)臺進(jìn)行了研究和改進(jìn)。2008 年日本株式會(huì)社森精機(jī)制作所上市DDＲ － 260 的工作臺采用200 mm 的大直徑滾珠軸承和高精度編碼器，工作臺最高轉(zhuǎn)速達(dá)150 r /min，定位精度為4" ，實(shí)現(xiàn)了高速和高精度定位［1］。大連光洋科技工程有限公司采用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的單軸轉(zhuǎn)臺，具有良好的精度保持性，其閉環(huán)的高精度編碼器及總線式高精度驅(qū)動(dòng)控制器，最大限度地保證其控制精度和可靠性［2］。大連機(jī)床(數(shù)控)股份有限公司研究開發(fā)的VHT 系列立式銑車復(fù)合加工中心采用動(dòng)柱式結(jié)構(gòu)在立式車銑復(fù)合加工中心上成功集成應(yīng)用了直驅(qū)式多功能回轉(zhuǎn)工作臺，通過先進(jìn)的控制反饋系統(tǒng)和高水平的裝配技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高精度［3］。孫崗存等［4］設(shè)計(jì)了HMC160 型臥式加工中心的閉式靜壓回轉(zhuǎn)工作臺，通過對樣機(jī)閉式靜壓回轉(zhuǎn)工作臺進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，證明該轉(zhuǎn)臺具有很強(qiáng)的承載能力，浮起高度穩(wěn)定，運(yùn)行平穩(wěn)可靠。本文采用靜壓導(dǎo)軌和直驅(qū)技術(shù)相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了一種銑車復(fù)合加工中心的靜壓直驅(qū)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，可以為大型銑車復(fù)合加工中心的發(fā)展提供技術(shù)支撐，在高檔數(shù)控機(jī)床的研發(fā)方面具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和指導(dǎo)意義。

      1 、靜壓直驅(qū)轉(zhuǎn)臺的特點(diǎn)

     精密機(jī)床朝著大型化、復(fù)合化、高精度的方向在發(fā)展，其中大型精密銑車復(fù)合加工中心為精密機(jī)床中難度最大、技術(shù)最高的機(jī)型。在以往由于受到銑車復(fù)合加工中心轉(zhuǎn)臺高剛性、高轉(zhuǎn)速的技術(shù)制約，限制了銑車復(fù)合加工中心在臺面規(guī)格上的發(fā)展。本文將靜壓導(dǎo)軌和直驅(qū)技術(shù)相結(jié)合，軸向采用靜壓導(dǎo)軌支撐，靜壓導(dǎo)軌使直驅(qū)轉(zhuǎn)臺具有較高的軸向剛度、回轉(zhuǎn)速度，力矩電機(jī)直驅(qū)技術(shù)，可以有效地消除傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺驅(qū)動(dòng)方式下由中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)引起的多種誤差，提高了轉(zhuǎn)臺的精度，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。同時(shí)轉(zhuǎn)臺還配有檢測、冷卻、鎖緊機(jī)構(gòu)，從而保證直驅(qū)轉(zhuǎn)臺可以完成銑削轉(zhuǎn)臺和車削主軸的功能轉(zhuǎn)換。 

     2 、靜壓直驅(qū)轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)

     2． 1 靜壓直驅(qū)轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)本文設(shè)計(jì)的一種用于銑車復(fù)合加工中心的靜壓直驅(qū)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其特征在于工作臺下方外環(huán)得到外靜壓導(dǎo)軌板的支撐，工作臺下方內(nèi)環(huán)通過螺釘與電機(jī)轉(zhuǎn)子連接套相連，電機(jī)轉(zhuǎn)子連接套下方得到內(nèi)靜壓導(dǎo)軌板的支撐，通過精調(diào)可使內(nèi)、外靜壓導(dǎo)軌支撐面有良好的接觸。定心軸承座與滑鞍的中心孔用螺釘相連，并通過NN3048 軸承支撐電機(jī)轉(zhuǎn)子連接套，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)中心定位。與定心軸承座上方相連的軸承壓環(huán)、電機(jī)轉(zhuǎn)子連接套外臺肩下側(cè)通過螺釘與力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)子相連，力矩電機(jī)的定子與電機(jī)定子連接套的內(nèi)側(cè)肩用螺釘相連，電機(jī)定子連接套通過外側(cè)肩用螺釘固定在滑鞍上，使力矩電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子同心。編碼器軸的上端面通過螺釘與工作臺相連，下部分通過向心球軸承得到定心軸承座的支撐，最下方與編碼器相連，編碼器可通過編碼器調(diào)節(jié)環(huán)和編碼器連接法蘭盤的調(diào)整使其回轉(zhuǎn)中心與NN3048 軸承的回轉(zhuǎn)中心重合。內(nèi)、外壓環(huán)通過螺釘固定在工作臺的下方，動(dòng)壓環(huán)被放置在內(nèi)、外壓環(huán)所圍成的“┕ ┙”型槽內(nèi)，并通過螺帽固定在4 個(gè)均布的活塞桿上。油缸通過螺釘固定在滑鞍上的4 個(gè)均布孔內(nèi)，油缸蓋與油缸結(jié)合后形成了一個(gè)密封的油腔，活塞將油腔分隔成上下兩個(gè)部分，通過上下油腔的進(jìn)/出油可實(shí)現(xiàn)活塞桿帶動(dòng)動(dòng)壓環(huán)做松開或鎖緊工作臺的動(dòng)作。冷卻介質(zhì)進(jìn)/出接頭連接在電機(jī)定子連接套的側(cè)壁上，冷卻介質(zhì)從進(jìn)水口進(jìn)入到電機(jī)定子連接套與力矩電機(jī)定子所圍成的密閉冷卻腔內(nèi)，經(jīng)過循環(huán)后由出水口流入恒溫箱，經(jīng)恒溫箱冷卻后重新注入，組成了該銑車復(fù)合加工中心的液壓直驅(qū)轉(zhuǎn)臺。

     2． 2 靜壓直驅(qū)轉(zhuǎn)臺的工作原理如圖1 所示，當(dāng)轉(zhuǎn)臺需要實(shí)現(xiàn)車削或轉(zhuǎn)臺相位旋轉(zhuǎn)功能時(shí)，液壓直驅(qū)轉(zhuǎn)臺得到系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)指令，油缸21 的下油腔進(jìn)油，活塞22 帶動(dòng)動(dòng)壓環(huán)24 上移使轉(zhuǎn)臺處于松開狀態(tài)，此時(shí)給靜壓導(dǎo)軌供油的多頭泵開始供油，靜壓導(dǎo)軌油通過靜壓導(dǎo)軌進(jìn)油口3 流進(jìn)均布安裝在滑鞍上的8個(gè)外靜壓導(dǎo)軌板2 及4 個(gè)內(nèi)靜壓導(dǎo)軌板18 上，使工作臺1 的組件與靜壓導(dǎo)軌板2 和18 之間形成一個(gè)0． 02 mm 左右的油隙，力矩電機(jī)8 的轉(zhuǎn)子在其定子的磁力作用下帶動(dòng)工作臺1 的組件和軸承6 和軸承10 旋轉(zhuǎn)。用于形成靜壓油膜的靜壓導(dǎo)軌油可從滑鞍4 上的內(nèi)、外靜壓導(dǎo)軌回油口27、28 流回到靜壓導(dǎo)軌用油箱13 中，并由多頭泵重新注入到靜壓導(dǎo)軌板2、18 上。冷卻介質(zhì)從冷卻介質(zhì)進(jìn)口進(jìn)入電機(jī)定子連接套7 與力矩電機(jī)8 的定子所圍成的密閉冷卻腔內(nèi)，經(jīng)過循環(huán)后由出水口流入恒溫箱，經(jīng)恒溫箱冷卻后再重新注入，實(shí)現(xiàn)靜壓直驅(qū)轉(zhuǎn)臺車削或相位旋轉(zhuǎn)功能。當(dāng)靜壓直驅(qū)轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力銑削功能時(shí)，發(fā)出工作臺1 鎖緊指令，工作臺1 旋轉(zhuǎn)至指定的相位位置，經(jīng)工作臺1 下方的編碼器14 反饋校正相位位置，當(dāng)編碼器14 檢測到工作臺1 相位位置正確時(shí)，給靜壓導(dǎo)軌供油的多頭泵停止供油，鎖緊油缸21 的上油腔進(jìn)油，活塞22 帶動(dòng)動(dòng)壓環(huán)24 下移，并通過內(nèi)、外壓環(huán)25，23 來拉緊工作臺1，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接套11、NN3048 軸承10 和工作臺1 的組件被鎖緊，從而實(shí)現(xiàn)了直驅(qū)轉(zhuǎn)臺強(qiáng)力銑削功能。

      3 、轉(zhuǎn)臺技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

     該直驅(qū)轉(zhuǎn)臺的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是將靜壓轉(zhuǎn)臺技術(shù)和直驅(qū)技術(shù)相結(jié)合，采用雙層的靜壓轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，不僅使轉(zhuǎn)臺的剛性提高，而且由于靜壓導(dǎo)軌的高線速度特性，還可使轉(zhuǎn)臺具有高的回轉(zhuǎn)速度，解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)因大直徑軸承的速度因數(shù)dn 值低而對轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速限制的問題。其與直驅(qū)技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺直徑大、轉(zhuǎn)速高、剛性高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等特點(diǎn)，可以滿足大型銑車復(fù)合加工中心對直驅(qū)轉(zhuǎn)臺的使用要求。配備直驅(qū)回轉(zhuǎn)工作臺的五軸復(fù)合加工中心具備高柔性、高精度、高集成性和完全加工能力，可以很好地解決新產(chǎn)品研發(fā)中復(fù)雜零件加工的精度和周期問題。加工中工件經(jīng)一次裝夾就可以完成加工范圍內(nèi)的全部或絕大部分工序，從而實(shí)現(xiàn)從復(fù)合加工到完整加工的飛躍，大大縮短研發(fā)周期和提高新產(chǎn)品的成功率，這在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。

      4、 結(jié)語

     由于國內(nèi)直驅(qū)回轉(zhuǎn)工作臺等數(shù)控機(jī)床的功能部件的技術(shù)發(fā)展相對滯后，尚未形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，缺乏提供成套技術(shù)和產(chǎn)品以及整體解決方案的能力，制約了高檔數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)和研發(fā)。直驅(qū)轉(zhuǎn)臺等關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用推廣，可以有效地?cái)[脫對國外相關(guān)技術(shù)的依賴，滿足重大基礎(chǔ)制造和國防工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω邫n數(shù)控機(jī)床的巨大需求，對于機(jī)床滿足高速度、高加速度、高精度、高柔性和復(fù)雜切削負(fù)載的工作性能要求，獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性方面，具有重要的指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。