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1、摘 要： 加工中心工作台分为数控分度工作台和数控回转工作台两种。 加工中心工作台的 性能，在很大程度上决定了机床的性能，因此，研究和开发高性能的加工中心工作台，始终 是研究现代数控机床的关键任务之一。 关键词：加工中心；回转工作台；结构设计 1 回转工作台机械总体结构 数控回转台由转台锁紧装置，组合支承结构（选用转台轴承） ，蜗轮蜗杆传动装置（剖分 蜗杆结构） ，托板定位与夹紧装置，圆光栅检测装置，分油结构组成。转台锁紧装置的作用： 保证转台分度到准确位子时，转台与转台座有足够的刚度。组合支承结构作用：承受转台的 静压力又要承受动压力，还要保证较小的摩擦力。蜗轮蜗杆传动装置作用：传递动力和连续
2、 分度。托板定位与夹紧装置作用：固定托板，增加刚度。圆光栅检测装置作用：检测旋转位 置精度。 2 加工中心转台工作原理 回转工作台有两种状态：工作台进行圆周进给完成切削工作；工作台进行分度工作。数 控回转工作台由伺服电动机驱动，采用无级变速方式工作。所以定位精度主要由控制系统决 定。 （1）圆周回转进给 回转工作台的运动由伺服电机接联轴器，带动蜗轮蜗杆系统，使工作台旋转。当数控回 转工作台接到数控系统的指令后，首先松开回转台部分的油缸刹紧装置进而松开刹紧片。然 后启动交流伺服电机。 按数控指令确定工作台的回转方向、 回转速度及回转角度大小等参数。 （2）定位分度过程 刹紧油缸内油压减小到不足于
3、克服蝶形弹簧4 的弹力时，由于回转台 3 是固定不动的， 缸体 5 在蝶形弹簧弹力作用下抬起，刹紧片7 与缸体 3 分开，不再产生刹紧力。刹紧油缸缸 体与刹紧片脱离后，交流伺服电机经联轴器连接蜗轮蜗杆，从而带动回转台回转。当圆光栅 尺 12 确认转动到位后，回转台停止转动。刹紧油缸进油，回转台刹紧，分度过程完成。 3 托盘的定位与夹紧装置设计 加工中心转台与托板的锁紧装置结构如图 3-1 所示，在此结构中，定位锥销 4、定位锥 套 l 组成结构完成该装置的定位功能；夹紧拉爪2、钢珠 3 和活塞 6 的活塞柄组成的结构完 成该装置的夹紧功能。 该结构依靠四处锥销及销套的圆锥曲面、 平面定位.利用
4、夹紧拉爪以及 钢球在活塞杆的凹槽中随活塞杆运动，在液压油的作用下进行工作台的夹紧，定位点与夹紧 点重合。 当装夹好待加工工件的托盘运行到工作区准备连接NMC 夹紧前，气压通过气路5 供给， 进行各定位圆锥面及夹紧结构的清洁。此时托盘开始落下，在此过程中，锥销锥套进行自导 向，当四套定位锥销与定位锥套的锥面紧密结合时，定位夹紧完成。 控制系统接收到定位完成信号后，进行油路7 的液压油供给，活塞在油压的作用下而向 下运动，夹紧拉爪因受到钢珠向下的推力产生弹性变形而向下拉抻扩张，最终上端定位锥销 与定位锥套靠紧，完成托盘被夹紧的动作。工作时由以下三种状态循环出现： （1）准备状态： 托盘准备进入时
5、（托盘准备搬出时） ， 油路 8 有油压活塞处在上端， 气路 5 处于供给状态， 喷气口喷气，清洁定位锥面及夹紧结构，防止碎屑进入结构。油路7 处在释放状态，此时活 塞杆在油压作用位于其行程最上端位置作用下，钢珠3 处在活动状态。 （2）定位状态： 托盘在落下（或抬起）过程中，油路8 的油压、气路 5 的气压保持供给状态，销套与锥 销的定位园锥面及定位平面留有适当的缝隙，以防止表面被划伤或因切屑滞留而挤死工作台 的现象，从而保持精度。 （3）夹紧状态： 托盘准备夹紧时，液压系统油路8 处在释放状态，油路 7 加液压，活塞在液压油作用下 向下运动， 钢球随着活塞柄移动， 在向下运动期间， 坚硬的
6、钢珠 3 表面压紧拉爪 2 上端斜面， 把定位锥套拉向定位锥销定位圆锥面。当气路中的气压达到一定的值时，气压传感器发出信 号，从而托盘完成中心定位与夹紧的动作。 4 锁紧装置设计 转台锁紧装置的作用：保证转台分度到准确位子时转台与转台座有足够的刚度。此设计 是由液压力提供锁紧力，而恢复自由运动所需要的松开力由蝶形弹簧的变形力提供，回转体 上的刹紧液压缸直接顶紧，用刹紧液压缸的缸体与刹紧片的摩擦力来锁紧。锁紧力计算过程 如下：已知输入油压，液压缸活塞面积是环形面积： S= （r12-r22） 液压缸顶紧力：F1=P?S； 液压缸锁紧力：Fr=F1 ； 其中 P 为输入油压， S 为液压缸活塞面积
7、 （环形面积， 外圆半径为 r1，内圆半径为 r2） ， 摩擦系数为 5 转台轴承选取 与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦力小，功率消耗少，启动容易等优点。在选用上要 考虑轴承的承载能力以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等问题。本文考虑到轴承各个方 面的误差会直接传递给加工工件时的加工误差，因此选用调心性能比较好的精密转台圆锥滚 子轴承。此类轴承可以是将双向推力轴承与一个向心球YRT 精导轴承紧固在一起，这些快速 安装的预润滑单元具备极高的刚性和承载能力，并且有特别高的旋转精度。 6 蜗轮蜗杆设计 （1）蜗杆传动的类型 根据蜗杆的形状，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥面蜗杆传动。圆柱
8、 蜗杆传动，按蜗杆轴面齿型又可分为普通蜗杆传动和圆弧齿圆柱蜗杆传动。 普通蜗杆传动多用直母线刀刃的车刀在车床上切制，可分为阿基米德蜗杆（ZA 型） 、渐 开蜗杆（ZI 型）和法面直齿廓蜗杆（ZH 型）等几种。 车制阿基米德蜗杆时刀刃顶平面通过蜗杆轴线。该蜗杆轴向齿廓为直线，端面齿廓为阿 基米德螺旋线。阿基米德蜗杆易车削难磨削，通常在无需磨削加工情况下被采用，广泛用于 转速较低的场合。 车制渐开线蜗杆时，刀刃顶平面与基圆柱相切，两把刀具分别切出左、右侧螺旋面。该 蜗杆轴向齿廓为外凸曲线，端面齿廓为渐开线。渐开线蜗杆可在专用机床上磨削，制造精度 较高，可用于转速较高功率较大的传动。 （2）蜗杆传动
9、的特点 传动比大， 结构紧凑。 单级传动比一般为 10-40 （80） ， 只传动运动时 （如分度机构） ， 传动比可达 1000。传动平稳，噪声小。有自锁性。传动效率低且材料成本较高。 （3）蜗杆传动结构设计及尺寸参数 蜗轮蜗杆副的回程误差是影响工作台精度的重要因素。本文设计的蜗杆传动结构，将蜗 杆分为两部分，一部分为空心套，另一部分为蜗杆，空心套与蜗杆通过胀紧套固定安装，使 蜗杆与蜗轮左右工作面始终处在啮合状态，不存在反向间隙所以无论正转，反转都不会产生 回程误差。为了保证蜗杆和蜗轮左右工作面的啮合，就需要对这两工作面施加预紧力，他们 是由蜗杆两端的止推轴承提供，同时达到消除间隙的目的，因
10、此能够减小机械部件对回转台 精度的影响。 蜗轮参数：当量模数 mk=2.44，当量压力角 ask=16.174，齿数 Z=120，当量圆直径 d2k=292.8， 当量圆齿厚 Sz=3.840.15， 精度等级 5h， 蜗轮材料 ZQSnl0-1-2， 蜗杆头数 Z1=2 工作面模数 ms=2.3833 工作面压力角 as=10.5，非工作面模数 ms=2.385，工作面压力角 as=20，材料 31CrMoV9 7 转台其他部分设计 托盘功能：承重以及作为基准，要满足装夹方便等，通常转台托盘设计为正方形。托盘 面采用 T 形槽，便于装卸零件。 转台的润滑密封：回转部分的润滑采用循环喷油润滑，可以冲掉传动过程中齿轮啮合区 的磨粒、减少磨损、延长使用寿命、对涡轮蜗杆进行很好的冷却与润滑等。密封装置：为防 止工作过程中切屑与杂质进入旋转台，回转部分与下箱之间要用密封圈封好。 结论 本文对加工中心回转工作台关键部分进行结构设计，尤其是蜗轮蜗杆副结构上的创新， 使得机械部分对转台精度的影响降至最低。 参考文献 1邓奕.现代数控机床及应用M国防工业出版社 2008.9 2徐锦康.机械设计M.北京：机械工业出版社2001