精密数显数控转台产品生产工艺与研发分析

第一节 精密数显数控转台生产工艺介绍

以沈阳机床股份有限公司H M S8 0 型卧式加工中心数控回转工作台的设计为例,讲述该数控回转工作台的设计过程。

根据机床的总体设计方案，制定数控回转工作台的主要技术参数如表：

1、结构设计

数控回转工作台由工作台、回转座、伺服电动机、滑座、定位板和防护板等组成。

数控回转工作合外观

工作台板的夹紧与松开都由液压控制，采用德国先进的夹紧机构，结构类似于主轴的松夹刀机构，通过液压推动活塞来实现爪组的闭合与张开。爪组闭合夹紧固定在工作台板下的拉钉，从而实现工作台板的夹紧；爪组张开松开固定在工作台板下的拉钉，从而实现工作台板的松开。该数控回转工作台采用蜗轮蜗杆传动形式，蜗杆设计成双导程形式，利用导程变化即可消除传动间隙，提高传动的精度;选用德国INA公司的回转支承轴承和海德汉公司的圆光栅测量装置，显著地提高了数控回转工作台的定位精度。数控回转工作台剖视图见下图：

数控回转工作台剖视图

在该数控回转工作台上，首次使用了具有双刹车弹簧片的自制刹车机构。该刹车机构工作原理如下：

正常工作时，通过固定在夹紧螺钉上碟形弹簧的作用，刹车弹簧片向两侧张开，使刹车弹簧片与夹紧板之间保持0. 5 mm的间隙，夹紧板能够正常旋转;当需要刹车时，在液压的作用下两个小活塞克服碟形弹簧的张力，迫使两个小活塞相向运动，使刹车弹簧片紧紧夹住夹紧板，工作台转动被迫停止，从而达到刹车的目的;当刹车需要松开时，只需要撤去液压，小活塞在碟形弹簧张力的作用下自动向两侧张开，从而使固定在两个小活塞上的刹车弹簧片松开夹紧板，此时工作台能够正常回转。刹车机构放大图见图

刹车机构放大图

数控回转工作台采用蜗轮蜗杆传动形式，因为蜗轮蜗杆传动具有以下特点:结构紧凑、传动比大，冲击载荷小、传动平稳、噪声低，传动具有自锁性。数控回转工作台的动力由交流伺服电动机提供，依靠带轮通过同步齿形带传送到双导程蜗杆，靠蜗轮蜗杆传动来实现工作台的回转。驱动装置展开图见图：

驱动装置展开图

2、数控回转工作台电动机的选择

该数控回转工作台选用德国西门子AC系统交流伺服电动机。这是一种专门为机床进给驱动而开发设计的永磁型电动机，具有高转速、大扭矩、大容量和极高的耐热性等基本性能。

预选电动机为SIEMENS的1FT6086—1AF71—lAGl型伺服电动机，电动机参数为(5.8 kW , 3000r/min，18. 5 N•m，66.5x10-4kg•m2)。

2. 1数控回转工作台传动比计算

此时电动机转速小于电动机额定转速，电动机选择合理。

2. 2数控回转工作台扭矩计算

由以往的计算可知，铣削加工时消耗功率最大，故以铣削加工求P切。

计算切向铣削力F切为

式中:F切为单位铣削力，根据铸铁试料(HT200 )，由手册查得F0 = 2 059 N/mm2 ；αe为铣削宽度，αe = 100 mm ;

αp为铣削深度，αp=5 mm，fz为每齿进给量，fz=0. 35 mm；z为铣刀齿数，z=8;D为铣刀直径，D=160 mm。

铣削加工时，数控回转工作台匀速转动，此时加速力矩为0;由于采用回转支承轴承，因摩擦力产生的力矩很小，考虑到安全系数，此力矩可以忽略不计。预选电动机的额定扭矩为18. 5 N•m，大于所需扭矩，因此，所选电动机满足设计要求。

2. 3工作台回转惯量的计算

工作台回转部分及工件总质量:M= 1000+2 000=3000kg

工作台回转部分及工件总回转惯量：

式中：J为总回转惯量,kg•m2，M为回转体的质量；l为工作台边长，l=0.8m。

折算到电动机轴上的转动惯量为：

因为回转运动不像直线运动那样要求那么高的动态响应，通常只要求伺服电动机的转动惯量大于作用在伺服电动机轴上负载转动惯量的1/10以上就可以。查电动机样本得，电动机的转动惯量为了J电机=66. 5 x 10-4 kg•m2>J负载/10。因此，所选电动机满足设计要求。

3、总结

机床样机装配完成后，对数控回转工作台进行精度检测，通过检查数据表明该数控回转工作台的几何精度和定位精度都符合设计要求;对该数控回转工作台进行重切试验和精切试验，结果表明该数控回转工作台工作精度满足设计要求。此外，该数控回转工作台在工作过程中运转平稳、噪声低、刹车及时可靠，能够达到预期设计效果。

该机床样机试制完成后，在2010年南京中国数控机床展览会上展出，荣获中国机床工具工业协会颁发的“春燕奖”，并且被国内某客户抢购。从客户反馈回来的信息看，该数控回转工作台在实际应用中运转稳定、定位精度高，完全能够满足客户需要。

第二节 国外精密数显数控转台生产工艺发展阶段比较

国外生产精密数显数控转台的企业主要有PEISELER 、MMK、FIBRO、BOST，精密数显数控转台都是用直接驱动技术，而国内的技术还处于机械传动阶段。

第三节 我国精密数显数控转台生产工艺创新路径

我国80年代中期前生产的精密转台全部为机械式或光学机械式转台,即圆分度基准采用金属度盘或光学度盘。工作时,工人操作费时、费眼睛,精度不高,效率低,无法自动化,满足不了现代化生产的需要。因此开发精密数显转台势在必行，有很大的潜在市场,并对于改造旧机床、提高设备利用率、提高机床精度以及研制生产新机床具有重要意义。

第四节 国内精密数显数控转台生产设备介绍

精密数控转台的生产设备主要为数控车、铣、磨床、切割机等机床。

第五节 国内精密数显数控转台生产设备应用分析

我国数控切割机从20世纪70年代由分离元件起步，至今已发展成用微机控制切割机。生产厂家也逐年增加，目前生产各类切割机的厂家已近40家，世界四大著名切割机专业制造商，也先后来到中国投资建厂生产各类中、高档切割机。国内切割机行业经过多年的发展，在专业技术上也有了很大的提高。目前，具备一定的研发和生产能力的企业有哈尔滨华崴、金凤公司、深圳博利昌、中船611所及无锡华联等企业，年产数控火焰切割机2000余台。其产品性能已接近国外同类产品标准，并有少数指标超过国外标准，产品质量在逐年提高，完全可以满足国内不同用户需求，替代了部分进口产品，还有部分产品出口。但在一些特殊切割方面和专用系统开发方面同国外公司相比还有一定的差距。

空气等离子切割机是利用高速、高温、高能量的等离子气流来加热和熔化被切割材料，利用空气压缩机提供的压缩空气作为工作气体，排除已熔化金属的气流，从而达到切割金属的目的。可以切割碳钢、合金钢和不锈钢及铜、铝等有色金属。空气等离子弧切割，因其离子气与切割气均采用压缩空气而受到用户欢迎，并在各应用领域被广泛的采用。同时，为了提高切割质量、保证被切割零件的尺寸精度、改善劳动环境、减轻工人劳动强度和提高生产效率，又研制出一系列半自动和全自动等离子弧切割设备。

第六节 我国精密数显数控转台技术研发分析

我国直驱技术的发展与国际水平有很大差距。自2005年起国内就开展了以力矩电机为核心驱动元件的转台的技术研究和产品开发，但大多尚停留在产品样机阶段。在力矩电机相关技术领域，国内与国外也存在较大差距。国际上90年代初开始应用，现在进入普及阶段。国内90年代中期才开始研究，而成功的应用还比较少。包括凯奇电气、华中数控都展出过样机，均未形成批量产品。哈尔滨工业大学、沈阳工业大学都在力矩电机设计和应用方面开展了许多研究工作，也为社会小批量提供了一些力矩电机产品，大多配置德国科比的驱动器。2009年北京CIMT上，烟台环球展出了应用西门子力矩电机的转台样机。