科研训练 直驱转台

1、武 汉 轻 工 大 学科 研 训 练 论 文论文题目：高速、高精直驱转台设计分析报告 姓 名 桂 佳 清 学 号 110309252 院 （系） 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师 刘 海 岷 2015年01月10日高速高精直驱转台设计分析报告桂佳清机械工程学院摘 要：随着国防、航空、高铁、汽车和模具等重要装备制造行业需求量的大幅增长，中国数控机床也取得了快速发展，数控机床技术在高速化、复合化、精密化、多轴化等方面取得了显著进步和一系列突破。先进数控机床技术的发展离不开先进功能部件的支持，为我国机床附件尤其是机床核心部件数控转台的发展提供了广阔的发展空间。关键词：直驱；转台

2、；机床附件0引言进入二十一世纪以来，尤其是随着国家“高档数控机床与基础制造装备”专项的启动，极大地推动了机械装备工业的发展，“高速、精密、复合、智能化”的机床发展进程得到了进一步加速。作为数控机床的功能附件的数控转台，同样受到了重视，高速直驱数控转台、高精度数控转台、大型重载数控转台、浸油式数控转台等几种数控转台直接列入了国家重大专项的开发计划之内1。数控转台是多轴联动数控机床的重要部件之一。传统驱动方式的数控转台因为机械传动链的存在而引起弹性变形、摩擦和反向间隙等一系列问题。直接驱动数控转台不仅有效地解决了上述问题,而且具有转矩高、响应速度快和定位精度高等性能优势。近年来,直接驱动数控转台部

3、件是多轴联动高档数控机床领域研究的热点。就是以直接驱动数控转台永磁环形力矩电机及其控制策略为研究对象,针对其关键技术问题展开工作的2,3。电机具有很好的伺服刚性和动态性，可使转台加速度增大，回转速度大幅度提高。由于直驱电机直接与转动负载相连，因此在电机和负载之间实现了“零”传动。基于此，直驱转台应用于加工中心将是一种较好的选择4。1直驱转台技术的发展状况与可行分析1.1直驱转台发展现状采用直驱技术制造回转功能部件目前已经成为国际机床产业的发展趋势。直驱转台技术即采用大推力力矩电机或直线电机替代原有的包括齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、滚珠丝杠传动，即用电气传动替代机械传动。直驱转台技术具有精度高（精度

4、直接取决于控制技术和传感技术）、速度快（直线电机可达100m/min,力矩电机可达500rpm）、无磨损（没有机械磨损）、无间隙（没有机械物理间隙）、受力状态优良（区域出力，没有点接触和线接触受力环节）等优势5。采用直驱技术设计的回转功能部件，机械结构简单、精度高、速度快，是三轴数控机床向高档5轴数控机床产业升级的关键功能部件。在直驱技术日益成熟的条件下，国际主流机床厂商迅速推出采用直驱转台技术的机床产品，而且其应用水平的提升呈加速趋势。目前，处于世界机床产销量前几位的DMG、MAZAK、森精机等公司均开始大量改用直驱功能部件6,7,8。我国直驱转台技术的发展与国际水平有很大差距。自2005年

5、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。在经济的发展、国家政策大力支持、上下游产业振兴等背景下，我国数控机床行业的旺盛需求仍将保持高速增长，尤其是高档数控机床将迎来更大的市场空间，这必将带动我国国产数控机床及其数控系统和相关功能部件的市场发展，也无疑为国内数控系统生产厂商不断发展自己的技术，扩大市场提供了极好的机遇。数控机床和基础制造装备是装备制造业的“工作母机”，具有基础性、通用性和战略性的特征。目前国内数控转台的制造商较少，其中相当一部分又集中在中国台湾地区，主要对象是国内中低端数控转台；国外的生产商家则主要集中在德国、意大利、美国、日

6、本地区，生产对象涵盖了从低端到高端的全部转台市场，尤其在一些高端转台制造领域。9,10跟国外这些著名的转台品牌相比，国内制造的转台性能较落后，主要体现在数控转台的转速、承载能力以及转台的分度定位精度等方面。因此，为了提高我国的转台制造水平，我们需要清楚的认识这种差距，进一步提倡技术上的创新，尤其是在数控直驱转台方面，努力改善国内转台制造领域技术落后的现状。1.2直驱转台可行分析“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项主要瞄准的航空航天、船舶、汽车和发电设备四大行业呈现三大特点：一是行业发展迅速，汽车、船舶、发电设备产量上升很快，航空工业加工任务很重；二是行业发展前景好，企业普遍加大技改投

7、入；三是需要大批高档数控机床进行装配。机械制造行业未来十年发展前景比较宽广。数控转台作为数控机床上的关键功能部件之一，安装于各类加工中心，配合完成机床的各种加工要求，扩大了机床的加工范围，提高了机床的加工精度，并大大提高了机床的加工效率。直驱式数控转台克服了传统机械驱动方式（伺服电机加此轮、蜗杆齿轮副）运动响应慢、动态刚度差及摩擦和间隙误差等缺点，具有推力大、动态响应速度及加速度高等特点。目前直驱式数控转台正广泛应用于一些快速加工中心中，其发展代表了未来转台的发展趋势。现代机床有向精密化、大型化发展的趋势，作为机床的重要附件，转台的发展将在很大程度上制约机床的发展，纵观我国转台行业的发展，主要

8、集中于中档数控转台的开发研制，而像直驱转台这类高档转台，国内转台厂家市场响应不大，其主要原因在于转台关键部分的制造主要依靠于国外的先进制造技术，技术上不突破，将难以支撑我国整个机床制造业的长久发展，也形成不了我们制造产业链的进一步发展。而直驱数控转台的多点液压油缸制动定位方法，虽然在实际生产中得到了一定程度的应用，但是在技术上仍然存在一些不足，还有较大的改进空间11。相比之下，国外高端转台制造领域的技术较为成熟，如直驱数控转台的阻尼制动定位技术已经得到了较大范围的应用，因涉及核心技术，对外十分保密，我们无法获取相关信息，了解甚少。直驱转台技术在国内机床行业算是一项较为新的技术，在机床研发制造改

9、造中有很广阔的发展前景，直驱转台的产业化的内涵包括：开发、质量、关键设备、信息化管理、个性化服务和市场开拓。要全方位、一体化地去思考和研究、结合自己的产品特点、企业特点做好资金分配。以上几个方面是相互关联的，对这几个方面的资金投入都应该适当考虑，全面分析、突出重点。2转台的直驱与间驱比较2.1直驱与间驱方式对比一般直接驱动是由电机或者液压装置直接驱动被控对象，即转台中的框架结构。下图是以电机为驱动源的间接直接驱动的法式简图。 （a） (b) (c) (d) (e) (f)图1图1(a)、(b)为直接驱动方式；图1(c)、(d)、(e)和(f)为间接驱动；图1(a)、(c)、(e)为单端驱动，图

10、1(b)、(d)和(f)为双端驱动；图1(a)、(b)、(c)和(d)为电机-减速器-框架同轴驱动方式；图1(e)、(f)为电机-减速器-框架不同轴驱动方式。2.2直驱与间驱优缺点分析及选用2.2.1直驱与间驱优缺点对比一般间接驱动比直接驱动结构尺寸大；直接驱动可以实现系统比较好的静态和动态刚度，又苦于提高系统的频带和反应速度。简接驱动可以实现小的驱动力矩驱动较大的惯量，易于实现高精度运动要求，但是由于有中间的传动变速环节，系统的固有频率特性不易提高，并有间隙问题需采取相应处理措施。间接驱动所需力矩是直接驱动力矩的（i为从框架到驱动轴的传动比）；框架转动同样角度，间接驱动电机转角是直接驱动电机

11、转角的i倍，或者从精密控制角度来说，若电机的最小控制转角为，则直接驱动被控对象的最小转角为，而间接驱动的被控对象的最小转角为。因此间接驱动与直接驱动相比有两个突出的优点：容易驱动较大的控制负荷（动态和静态负载力矩）和容易达到较高的控制精度12。2.2.2驱动方式的选用当结构尺寸和惯量较大、动态特性要求较高时，常采用双端驱动方式；当结构尺寸和惯量较小、主要运行于低速情况的转台常采用单端驱动；现有转台基本采用直接驱动；当要求精度较高，运行速度较低时，可以采用间接驱动，但应考虑补偿问题，一消除间接传动的间隙。两种驱动方式设计：内环框架：运动范围小、远动速度极低、精度高、动静负载较小，所以采用了单端直

12、接电机驱动方式。外环框架：运动范围小、运动速度极低、精度高、动静负载较大（内环作为负载使外环转动惯量较大），所以采用单端间接电机驱动方式。3高速、高精直驱转台设计内容简析3.1直驱转台的结构设计(1)直驱电机的作用是通过将电能转化为磁能，借助与在其外部产生的旋转磁场，驱动电机转子运动，以此来实现磁能转化为机械能的目的。电机转子上附有永磁铁，通过电机线圈产生的旋转磁场被动地旋转，由于电机转子跟轴承转子及转台体相连，从而达到带动转台体旋转运动的目的13。 (2)抱闸机构是转台的主要结构之一，在油压的作用下，其环形薄壁套发生弹性变形，并牢固的抱紧内部转台，通过接触面产生的静摩擦作用来实现转台防松的目

13、的。其次，通过在抱闸机构外圆开环槽通冷却液，可起到电机冷却的作用。 (3)轴承支座跟底座相连，并固定轴承定子部分。 轴承部分是转台的关键部分之一，承受转台主要的轴向力，其动载性能的好坏直接影响转台的加工精度及动载特性。(4)支撑销是与托盘的直接接触部分，其耐磨性的好坏将会影响到转台的长期使用性能。 转轴支座与星型卡爪及活塞相连，下端开有导向槽，可绕转台转轴进行 30 度的旋转，并通过相连活塞的运动，实现托盘的放松和夹紧。(5)转轴跟转台体相连，在零件加工过程中，随转台及托盘一同旋转。 (6)活塞在油压的作用下可做往复运动，主要实现托盘的放松夹紧。 (7)定位销在托盘交换过程中有导向及定位作用。

14、 (8)转台体是转台的主要部件，B轴转台的转子部分均与转台体相连。 (9)底座主要用来安装转子的定子部分。 (10)配油套不随转台运动，主要用于实现转台内部各部管路的输送。 3.2液压环抱式制动在转台非联动工作情况下，必须保证工件加工过程中的位置精度，因此，在数控转台内部往往是通过有力的抱闸机构，有效克服转台工作过程中由于切削力的作用而带来的扭矩效果（负载扭矩）14。无论是机械式数控转台，还是直驱式数控转台，抱闸机构的形式不外乎环抱式抱闸形式，以及端面接触式抱闸形式。抱闸原理均是通过接触面之间产生的静摩擦力矩达到有效防松的目的15。图23.3直驱转台内部流体管路设计图3根据管路进口在转台底部的

15、具体位置不同，转台上的管路主要包括： (1)底座上的管路： 冷却水管路（w）电机冷却（3.5bar）； 转台抱闸油路（16）转台抱闸，第一次使用时需排除空气（80-100bar）； 防尘气路(84)-转台旋转过程中防尘（1.5bar）； (2)配油套上的管路： 托盘拉紧/放松管路（11、12）托盘放松、拉紧(80-100bar)； 液压夹具管路（37/38/47）夹具油路(250bar)； 支撑销、定位销管路（78）清洁、气密检查 (4-6bar)； (3)旋转轴上的管路： 轴端防尘气路（78）快换接口清洁(4-6bar)。 4结束语现代机床有向精密化、大型化发展的趋势，作为机床的重要附件，转

16、台的发展将在很大程度上制约机床的发展。直驱式数控转台克服了传统机械驱动方式（伺服电机加此轮、蜗杆齿轮副）运动响应慢、动态刚度差及摩擦和间隙误差等缺点，具有推力大、动态响应速度及加速度高等特点。目前直驱式数控转台正广泛应用于一些快速加工中心中，其发展代表了未来转台的发展趋势。参考文献:1 罗光寿, 曾翔. 数控机床设备研究J. 机电产品开发与创新, 2011 2 卢胜利, 王睿鹏, 祝玲. 现代数控系统M. 北京:机械工业出版社, 20063 吴培坚. 数控转台J. 机械工人, 20064 岳明强. 数控转台及1其定位精度J. 机械工人, 2001 5 孙宜标, 金石, 王成元. 直接驱动数控转

17、台的 QFT-H控制J. 控制与检测, 2006 6 Ham I., C. Y. Liu, Computer-Aided Process Planning: The Present and the FutureJ. Annals of the CIRP, 1998 7 Major F., W. Grottke. Knowledge Engineering Within Integrated Process Planning SystemsJ. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 19878 Cay F., Chassapis C. A

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