两轴数控回转工作台的实用性研究

许光驰，鞠加彬，宋奇慧

(黑龙江农业工程职业学院，哈尔滨150088)

两轴数控回转工作台的实用性研究

许光驰，鞠加彬，宋奇慧

(黑龙江农业工程职业学院，哈尔滨150088)

近年来随着国内机床行业不断发展，数控转台产品已经成为数控机床核心功能部件。国外对数控回转工作台的研究较多，但也存在适应性差、功能较少和成本过高等问题，所以研制一种具有模块式的多功能新型数控回转工作台具有一定的市场前景。

数控回转工作台；数控机床；复杂表面加工

0 引言

数控转台是一种重要的机床附件，它的应用为机床提供了回转坐标，通过第四轴、第五轴驱动转台完成等分以及不等分或连续的回转加工，使客户加工复杂曲面变成可能，扩大了机床的加工范围。国内数控转台的中高端产品主要来自于台湾及国外，国内数控转台近年发展也很迅速并占领大部分市场。其中二轴数控转台作为五轴联动数控机床的关键功能部件之一，主要用于与机床设备配套完成机床各种功能，对保证机床基本功能的充分使用、扩大机床的工艺性能和使用范围、保证加工精度、提高生产效率、减轻劳动强度等方面都起着重要作用，因此数控转台的发展水平便成为整个机床工业技术水平的标志之一。

1 国内数控转台研制的现存问题

1.1 研制和生产成本高

由于国内对数控转台的研究和投入资金相对较少，较难实现系统研究和规模化生产要求,高精度的机械件、伺服电机和测量元件很多依靠进口，使得设备生产成本高，利润较低，维持后期的研发和生产过程也很困难。

1.2 机械零部件的加工精度低

受到高精度加工技术、装备和产品批量的影响，少量生产的转台机械结构精度不能满足更高的应有回转精度、小间隙和刚度要求，所以往往只能通过购买标准部件来实现设计要求。

1.3 控制方式可靠性和灵活性差

作为相对独立的二轴回转工作台，既有使用的独立性，还应具备能与现有三轴数控铣床等接口的配合功能，目前国内外对于此项研究还需改进。

1.4 多功能性还需加强

现有的转台多为单轴转台和定方向转台，不同联接面安装或多于二轴转台技术不成熟，所以适应加工范围还有待扩展。也就是说该产品应不仅可以适用数控设备，还应能完成加工轴的转化，并可作为其他普通机床的夹具来使用，扩展其应用范围和使用价值，具有更大的柔性和适应性。

2 二轴数控转台的研制功能

数控转台作为数控机床的关键部件，其设计的成功与否，将直接影响到数控机床的整机性能和生产效率，因此，研究数控转台的结构的动态设计过程，对提高机床的加工精度以及加工质量起着至关重要的作用。对于新型二轴数控转台的研制，可以给国产的转台发展方向提供新的设计方向，补充国外产品设计缺陷，增加产品的功能要求。使转台实现多功能化、模块化、适应性转变，更好、更方便地结合现有数控机床控制方式，促进国内转台的批量化生产和适用性研究，并形成系统和系列化的研究产品。

通过研究国内外的机械加工发展需求和回转工作台工作方式研究，确定此次产品的研发方向应定位于多功能性、应用灵活性和可靠性等方面。两轴回转工作台的研制为多功能转台产品的发展提供新的创造性思路，主要实现以下几方面功能：①实现回转轴变化的多功能调整方式，增加转台加工适用范围；②实现模块式的夹具组合方式，适用于夹具的扩展功能和提升机械系统在使用中的刚性；③研制成本较低的单片机控制方式，采用灵活多变且接口适用的控制方法。

数控回转台主要用于数控镗床和数控铣床上，在原有三轴基础上增加转动自由度，并与原X、Y、Z轴联动，实现圆周进给和分度运动。此夹具用于加工有分度要求的孔、槽和斜面，或在加工时转动工作台，用于加工圆弧面和圆弧槽等，数控回转台不仅提高了加工效率，还可完成更多的加工工艺。常见的数控回转台由于受其结构的限制，很难进行结构的调整和功能变换，使其应用范围受到很大限制。本次研究的组合式数控回转台，是在数控回转台的研制基础上吸收了组合夹具的设计理念，在结构上采用了易于夹具重新组合的结构，组合后可实现的卧式单轴和立式单轴驱动，也可实现双轴联动，具有方便重新组合的特点。将此夹具安装在三个坐标直线移动的机床上，使机床在原有的X、Y、Z移动自由度基础上，增加了X、Z（或X、Y等）转动自由度，使用夹具后具有较高柔性，扩展了原有数控机床功能及范围。

3 二轴数控转台的研制过程

3.1 夹具总体研制方案的制定

目前，机床数控转台的研究主要包括以下方面：机械结构研究，驱动元件研究，控制技术研究，检测方法研究，可靠性与稳定性研究。通过市场调研确定数控回转台的主要参数和应用范围，即装夹工件的种类和尺寸、适用机床及切削力指标等；确定夹具的机械结构和尺寸，机械结构应有利于夹具的组合拆装，以实现新的夹具功能；确定旋转自由度的组合方式，即C、A轴组合形式和A、B轴组合形式，采用伺服控制方式，并应能实现与现有数控设备接口，还可采用独立控制方式。

3.2 夹具机械结构的设计与制造

依据夹具所加工件的类型特点，研究传动机构和支承方式，进行设计计算，确定所承受的切削力及力矩，选择伺服电机型号、各旋转轴的传动比、轴承型号，并校核夹具重要零件刚性；进行三维实体建模，以及运动学和动力学仿真，具体设计夹具机械结构及尺寸；进行CAD装配图和零件图设计；完成机械加工与装配过程，保证机械装配及调试精度。

3.3 控制系统功能和控制方式的确定

完成电控箱及控制线路的设计与安装；实现数控机床与夹具的联动调试，进行空车试验、零件加工、刚度测试和批量生产检验应重点调试和检测起始点定位精度、保证定位误差、重复定位误差指标和系统刚度。

3.4 夹具的改进研究

在转台样品安装调试基础上，通过整体性能检测，完成夹具的改进设计和制造批量化，即在试加工中测量刚度和定位误差等指标，完成加工产品的精度测量，进行结构调整和改进；考虑降低成本和适应批量化生产要求，从夹具结构上和控制方式上实现大规模生产方式；设置夹具的外加防护功能，防止铁屑和油污侵入，保证夹具长期工作的可靠性，增强夹具的控制可靠性和实现产品化的要求。

4 新型二轴数控转台的特点

4.1 组合方式的实用性

将组合夹具的特点与传统的数控回转台结合在一起，作为柔性化的机械制造装备，能适应迅速更换产品的需要，综合考虑其功能的灵活性和所加工零件类型、尺寸的广泛适应性。此次开发新型的为适应数控机床和加工中心的加工要求，应具有高的精度和刚度，程序控制的稳定性，操作的方便性。此次研制的组合式数控回转台按产品级要求，可适应多种零件加工和多种数控机床，实现各种球、圆弧曲面等的加工。可以预计，组合式数控回转台作为一种具有相当柔性的工艺装备,必将获得比过去更加广泛的应用，并推动机械制造业的进步。

4.2 复合加工的科学性

目前数控回转台已广泛应用于数控机床和加工中心上，它的总体发展趋势是：在规格上将向两侧延伸，即开发小型和大型转台；在性能上将大幅度提高工作台转速、转台的承载能力和柔性组合性能；在形式上继续研制两轴联动或多轴联动回转式的数控平台。大多数金属加工机床的数控进给复合加工运动，都是以直线轴加上回转轴运动来实现的。为了应对日益增多的复杂零件加工、提高加工精度和效率，多轴机床和复合机床在此方面进一步创新发展。本次研制产品正是实现了小型化、柔性组合性能，除实现自身二轴联动基础上，又向着与原设备联动方向开发。

4.3 传动精度控制的合理性

夹具传动精度是机械加工精度的重要保证，所以应从机械传动精度、系统刚度和控制精度几方面保证起始定位误差和运动精度要求。为达到消除间隙的目的，转台消隙方式可采用齿轮副变中心距消隙，轮副偏心套消隙，变螺距蜗轮蜗杆机构等。在实际研制中两轴分别采用一级减速机构，以减少间隙产生的部位：在X轴采用了1：90传动比的可调间隙的变螺距蜗轮蜗杆机构，以便在使用过程中克服由于机械磨损而产生的间隙变大现象，可随时调整传动间隙；Y轴则采用了轮副偏心套消隙机构的齿轮传动方式，选定了1：18的空心减速器，以便于所加工的细长工件能够通过中空卡爪进行安装，提高了夹具的应用范围。在传感器定位方面，转台原点调整采用微动开关，转台定位前在程序上设定减速以增加定位精度。可设定位撞块与起始位置的角度数值来设置起始原点位置，以使转盘回归机械原点，在两轴的旋转方向各采用三开关检测，即两个限位开关和一个零点检测开关。

5 结语

本次研制工作解决了原有国产转台装备适用性及柔性差、制造成本高、数控接口难于对接等问题，实现了多功能化、模块化和高精度的设计要求。在研制过程上遵循科学的方法，并形成完整的研制资料，十分有利于产品的推广及二次开发。开发多功能、适用性强的二轴数控转台对于传统数控加工的升级改造、三轴数控机床的加工范围提升有着重要意义。在数控转台的功能上实现转轴的适应性转化，根据加工情况改变轴台的安装面；实现模块化及多功能装夹方式，用户可通过改变或更换少量部件实现不同的装夹方法；完成适用性更强和成本更低的控制方式，有利于产品的使用和推广。另外应该看到机械工艺装备、精密外购件和数控产品的研制水平始终是制约我国高精端产品研发的阻碍因素，只有真正改善研制环境和投资水平才能实现研制的更高级目标。

[1]吕超，刘建华.数控转台的结构形式[J].金属加工，2013，（13）：18-19.

[2]李树宏.新型数控机床数控转台的动静态特性分析与结构优化[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013：1-7.

（编辑 文新梅）

The Application Research of Two-axis CNC Rotary Table

XUGuangchi，JUJiabin，SONGQihui
（HeilongjiangAgricultural EngineeringVocational College,Harbin 150088,China)

With the continuous development of domestic machine tool industry，CNC rotary table products have become the core components of CNC machine tools.The research of CNC rotary table is more at abroad，but there is the problem of poor adaptability,less functions and high cost.So the research of a newkind of CNC two-axis rotary table with modular and multi functions has a certain market prospect.

CNCrotarytable;numerical control machine tool；complexsurface machining

T-19

A

1672-0601（2015）11-0091-03

2015-10-05

本文系黑龙江省教育厅2012年度科学技术研究项目“两轴数控回转工作台的研究”（课题编号：12525064）和黑龙江省职业教育协会“十二五”规划课题“《公差配合与技术测量》实践的项目教学研究”（课题编号：GG0280）的研究成果。

许光驰（1972―），男，黑龙江哈尔滨人，教授，高级工程师，工学硕士，主要研究方向：机械设计与制造。