CN102950473B - 蜗轮副和齿轮副复合驱动的数控回转工作台及其控制方法 - Google Patents

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本发明公开一种蜗轮副和齿轮副复合驱动的数控回转工作台及其控制方法，包括蜗杆轴系，所述蜗杆轴系包括交流伺服电机（1）、行星减速器（2）、蜗杆自由端支承（3）、圆柱蜗杆（4）、蜗杆固定端支承（5）、直角式行星减速器（6）、直齿轮副（7）、斜齿轮（8）和消隙油缸（9），圆柱蜗杆（4）由交流伺服电机（1）和行星减速器（2）驱动。本发明的复合驱动方式及控制方法能够实现转台低速高精度分度和高速回转的复合功能：满足“齿轮车削滚齿复合加工机床”和“大型、高精度数控成形磨齿机”的功能要求。本发明的控制方法简单可靠，转台能够实现低速的微米级分度，高速回转时蜗轮副零磨损。<!--1-->

Description

蜗轮副和齿轮副复合驱动的数控回转工作台及其控制方法
技术领域
本发明涉及机床关键功能部件，属于先进制造技术领域，具体是一种蜗轮副和齿轮副复合驱动的数控回转工作台及其控制方法。
背景技术
2013年度“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项将“齿轮车削滚齿复合加工机床”和“大型、高精度数控成形磨齿机”列为重点研究内容，数控回转工作台作为重要的分度功能部件。齿轮外圆、内孔和端面的车削、磨削需要转台高速回转，转速10～50r/min，齿轮的展成滚削和成形磨削需要转台进行低速高精度连续分度。
力矩电机驱动转台能够兼顾高低速分度，满足小规格的复合机床要求；但力矩电机受到了驱动力矩和成本的限制，在大重型数控回转工作台上应用难度大。大重型数控回转工作台的高精度分度，一般采用蜗轮副进行驱动，2010年度“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项提出转台分度精度6”，重复定位精度3”，但转速受到蜗轮副线速度的影响，范围0～1r/min。钢制蜗轮副能够在滑动速度较大的情况下不发生胶合，且承载能力和使用寿命得以提升；但蜗轮副的磨削加工难度较大，且高速回转时蜗轮副的精度保持性较差。普通的立车转台采用的是斜齿轮副驱动，对分度精度没有要求，转速较高。此外，数控回转工作台在低速高精度分度和高速回转过程中需要比较高的支承刚性，一般采用静压导轨，浮起量0.02～0.04mm。
发明内容
本发明主要针对数控回转工作台的高速回转和低速高精度分度功能，提出一种蜗轮副和齿轮副复合驱动的数控回转工作台及其控制方法。本发明的一种蜗轮副和齿轮副复合驱动的数控回转工作台及其控制方法，旨在满足大重型数控机床提出的低速高精度分度和高速回转要求。低速分度时，转台由蜗轮副驱动、由齿轮副消隙，零间隙分度保证了高分度精度和重复定位精度。高速回转时，齿轮副驱动，蜗轮副不接触，转速不受蜗轮副啮合线速度的限制。
本发明的技术方案如下：
一种蜗轮副和齿轮副复合驱动的数控回转工作台，包括蜗杆轴系，所述蜗杆轴系包括交流伺服电机1、行星减速器2、蜗杆自由端支承3、圆柱蜗杆4、蜗杆固定端支承5、直角式行星减速器6、直齿轮副7、斜齿轮8和消隙油缸9，圆柱蜗杆4由交流伺服电机1和行星减速器2驱动，轴向依靠固定端支承5定位、径向依靠固定端支承5和自由端支承3共同支承；直角式行星减速器6与圆柱蜗杆4连接，直角式行星减速器6的输出端连接直齿轮副7；斜齿轮8和直齿轮副7连接，并由消隙油缸9控制轴向位移。
所述回转工作台还包括蜗轮轴系，所述蜗轮轴系包括工作台面10、蜗轮11、斜齿圈12和恒流静压导轨13，蜗轮11和斜齿圈12固定于工作台面10上，组成转台的回转分度系统，依靠恒流静压导轨13进行轴向支承，蜗轮11与圆柱蜗杆4相啮合，斜齿轮8与斜齿圈12相啮合。
本发明还提供一种蜗轮副和齿轮副复合驱动的数控回转控制方法，包括转台高低速和正反方向切换的控制的步骤，该步骤如下：
设定n0为转台高精度分度的最高转速，取1～5r/min；
转台低速分度时，其转速nL＜n0，蜗轮副驱动、齿轮副轴向预载消隙，零间隙分度保证转台的重复定位精度；
转台顺时针分度(-C向)对应的消隙油缸预载向下，逆时针分度(+C向)对应的消隙油缸预载向上；
转台高速回转时，其转速nH≥n0，齿轮副驱动，蜗轮副的齿面不接触，转台的转速不受蜗轮副啮合线速度的制约；
转台顺时针回转(-C向)对应的消隙油缸预载向上，逆时针回转(+C向)对应的消隙油缸预载向下。
所述方法还包括转台啮合间隙及消隙控制的步骤，该步骤如下：
设定蜗轮副啮合间隙0.10mm～0.15mm，通过双导程蜗杆的轴向位移进行调整，记为2a；
齿轮副啮合间隙通过中心距进行调整，记为2(b+2c)，其中2b为蜗杆固定端5、直角式行星减速器6、直齿轮副传动7的间隙以及系统的弹性变形；
蜗轮副的单侧间隙a对应于消隙油缸轴向行程c；
转台低速高精度分度时，蜗轮副驱动，齿轮副轴向预载消隙，轴向行程为b+c，消隙方向与转台分度方向相关；
转台高速回转时，齿轮副驱动，消隙油缸的行程为b+2c，达到上极限位置14或下极限位置15，消隙方向与转台回转方向相关；
消隙油缸由液压系统16驱动，消隙油缸的压力由减压阀17控制，消隙方向由三位四通阀18控制。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比较，本发明的蜗轮副和齿轮副复合驱动的数控回转工作台及其控制方法的复合驱动方式及控制方法能够实现转台低速高精度分度和高速回转的复合功能：转台低速分度精度6”，重复定位精度3”，反向间隙3”；转台高速回转的速度达到10～50r/min；满足“齿轮车削滚齿复合加工机床”和“大型、高精度数控成形磨齿机”的功能要求。本发明的控制方法简单可靠，转台能够实现低速的微米级分度，高速回转时蜗轮副零磨损。
本发明的蜗轮副和齿轮副复合驱动的数控回转工作台及其控制方法，旨在阐述具备高低速分度功能的大重型数控回转台，属国内首创。突出优点在于：本发明的传动方法可靠，结构简单，通过蜗轮副和齿轮副的复合传动，实现了高低速分度功能复合，既提高了转台的回转速度，又能够提升转台的精度保持性和重复定位精度，满足“齿轮车削滚齿复合加工机床”和“大型、高精度数控成形磨齿机”等复合机床的功能要求。
附图说明
图1为本发明的蜗杆轴系传动示意图。
图2为本发明的蜗轮轴系传动示意图。
图3为本发明的转台分度控制示意图。
图4为本发明的转台啮合间隙及消隙油缸的控制原理图。
图中部件说明：1、交流伺服电机，2、行星减速器，3、蜗杆自由端支承，4、圆柱蜗杆，5、蜗杆固定端支承，6、直角式行星减速器，7、直齿轮副，8、斜齿轮，9、消隙油缸，10、工作台面，11、蜗轮，12、斜齿圈，13、恒流静压导轨，14、消隙蜗杆上极限位置，15、消隙蜗杆下极限位置，16、液压系统，17、减压阀，18、三位四通阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术内容作说明：
实施例一。
一种蜗轮副和齿轮副复合驱动的数控回转工作台，包括蜗杆轴系，图1为蜗杆轴系传动示意图：所述蜗杆轴系包括交流伺服电机1、行星减速器2、蜗杆自由端支承3、圆柱蜗杆4、蜗杆固定端支承5、直角式行星减速器6、直齿轮副7、斜齿轮8和消隙油缸9，圆柱蜗杆4由交流伺服电机1和行星减速器2驱动，轴向依靠固定端支承5定位、径向依靠固定端支承5和自由端支承3共同支承；直角式行星减速器6与圆柱蜗杆4连接，直角式行星减速器6的输出端连接直齿轮副7；斜齿轮8和直齿轮副7连接，并由消隙油缸9控制轴向位移。
回转工作台还包括蜗轮轴系，图2为蜗轮轴系传动示意图：所述蜗轮轴系包括工作台面10、蜗轮11、斜齿圈12和恒流静压导轨13，蜗轮11和斜齿圈12固定于工作台面10上，组成转台的回转分度系统，依靠恒流静压导轨13进行轴向支承，蜗轮11与圆柱蜗杆4相啮合，斜齿轮8与斜齿圈12相啮合。
实施例二。
一种蜗轮副和齿轮副复合驱动的数控回转控制方法，包括转台高低速和正反方向切换的控制的步骤，该步骤如下：
图3为转台高低速和正反方向切换的控制示意图。
设定n0为转台高精度分度的最高转速，一般取1～5r/min；
转台低速分度时，其转速nL＜n0，蜗轮副驱动、齿轮副轴向预载消隙，零间隙分度保证转台的重复定位精度；
转台顺时针分度(-C向)对应的消隙油缸预载向下，逆时针分度(+C向)对应的消隙油缸预载向上；
转台高速回转时，其转速nH≥n0，齿轮副驱动，蜗轮副的齿面不接触，转台的转速不受蜗轮副啮合线速度的制约；
转台顺时针回转(-C向)对应的消隙油缸预载向上，逆时针回转(+C向)对应的消隙油缸预载向下。
还包括转台啮合间隙及消隙控制的步骤，该步骤如下：
图4为转台啮合间隙及消隙控制原理图。
蜗轮副和齿轮副的啮合间隙满足一定的关系。
设定蜗轮副啮合间隙0.10mm～0.15mm，通过双导程蜗杆的轴向位移进行调整，记为2a；
齿轮副啮合间隙通过中心距进行调整，记为2(b+2c)，其中2b为蜗杆固定端5、直角式行星减速器6、直齿轮副传动7的间隙以及系统的弹性变形；
蜗轮副的单侧间隙a对应于消隙油缸轴向行程c；
转台低速高精度分度时，蜗轮副驱动，齿轮副轴向预载消隙，轴向行程为b+c，消隙方向与转台分度方向相关；
转台高速回转时，齿轮副驱动，消隙油缸的行程为b+2c，达到上极限位置14或下极限位置15，消隙方向与转台回转方向相关；
消隙油缸由液压系统16驱动，消隙油缸的压力由减压阀17控制，消隙方向由三位四通阀18控制。
蜗轮副和齿轮副复合驱动的数控回转工作台及其控制方法，主要针对大重型数控回转工作台的驱动和支承形式进行控制。本发明的数控回转工作台由3大部件组成：底座和静压芯轴组成的支承部件，花盘、蜗轮及斜齿圈组成的分度回转部件，蜗杆、齿轮副和消隙油腔组成的驱动部件。转台径向支承为静压轴承，轴向支承为恒流静压导轨，周向分度为蜗轮副和齿轮副复合驱动。
本发明的蜗轮副和齿轮副复合驱动的数控回转工作台进一步的技术方案是所述的转台高低速和正反方向切换的控制算法。转台低速分度时，蜗轮副驱动、齿轮副轴向预载消隙，零间隙分度保证了转台的重复定位精度；转台高速回转时，齿轮副驱动，蜗轮副的齿面不接触，转速不受蜗轮副啮合线速度的限制。
本发明的蜗轮副和齿轮副复合驱动的数控回转工作台进一步的技术方案是所述的蜗轮副和齿轮副的啮合间隙满足一定的关系。蜗轮副啮合间隙0.10mm～0.15mm，通过双导程蜗杆的轴向位移进行调整，齿轮副啮合间隙通过中心距进行调整。
本发明的低速高精度分度和高速回转数控回转工作台能够为车滚复合机床、齿轮和端面外圆磨削的复合机床提供配套；盘类零件的外圆、内孔和端面的车削和磨削需要转台达到较高的回转速度，但不需要转台有分度精度要求；齿轮的滚削和磨削需要转台提供高精度的连续分度。为了满足转台高低速分度的功能，导轨采用恒流静压支承方式，浮起量0.02～0.04mm。
本发明的蜗轮副和齿轮副复合驱动方式能够满足转台的高低速分度功能，控制方法简单可靠，能够为各种复合机床提供合格的功能部件。

Claims (2)

1.一种蜗轮副和齿轮副复合驱动的数控回转工作台，其特征是包括蜗杆轴系，所述蜗杆轴系包括交流伺服电机（1）、行星减速器（2）、蜗杆自由端支承（3）、圆柱蜗杆（4）、蜗杆固定端支承（5）、直角式行星减速器（6）、直齿轮副（7）、斜齿轮（8）和消隙油缸（9），圆柱蜗杆（4）由交流伺服电机（1）和行星减速器（2）驱动，轴向依靠蜗杆固定端支承（5）定位、径向依靠蜗杆固定端支承（5）和自由端支承（3）共同支承；直角式行星减速器（6）与圆柱蜗杆（4）连接，直角式行星减速器（6）的输出端连接直齿轮副（7）；斜齿轮（8）和直齿轮副（7）连接，并由消隙油缸（9）控制轴向位移；所述回转工作台还包括蜗轮轴系，所述蜗轮轴系包括工作台面（10）、蜗轮（11）、斜齿圈（12）和恒流静压导轨（13），蜗轮（11）和斜齿圈（12）固定于工作台面（10）上，组成转台的回转分度系统，依靠恒流静压导轨（13）进行轴向支承，蜗轮（11）与圆柱蜗杆（4）相啮合，斜齿轮（8）与斜齿圈（12）相啮合，转台低速分度时，蜗轮副驱动、齿轮副轴向预载消隙，零间隙分度保证了转台的重复定位精度；转台高速回转时，齿轮副驱动，蜗轮副的齿面不接触，转速不受蜗轮副啮合线速度的限制。
2.一种如权利要求1所述的蜗轮副和齿轮副复合驱动的数控回转工作台的控制方法，其特征是包括转台高低速和正反方向切换的控制的步骤，该步骤如下：
设定n0为转台高精度分度的最高转速，取1~5r/min；
转台低速分度时，其转速nL＜n0，蜗轮副驱动、齿轮副轴向预载消隙，零间隙分度保证转台的重复定位精度；
转台顺时针分度（-C向）对应的消隙油缸预载向下，逆时针分度（+C向）对应的消隙油缸预载向上；
转台高速回转时，其转速nH≥n0，齿轮副驱动，蜗轮副的齿面不接触，转台的转速不受蜗轮副啮合线速度的制约；
转台顺时针回转（-C向）对应的消隙油缸预载向上，逆时针回转（+C向）对应的消隙油缸预载向下；
所述方法还包括转台啮合间隙及消隙控制的步骤，该步骤如下：
设定蜗轮副啮合间隙0.10mm~0.15mm，通过双导程蜗杆的轴向位移进行调整，记为2a；
齿轮副啮合间隙通过中心距进行调整，记为2(b+2c)，其中2b为蜗杆固定端（5）、直角式行星减速器（6）、直齿轮副传动（7）的间隙以及系统的弹性变形；
蜗轮副的单侧间隙a对应于消隙油缸轴向行程c；
转台低速高精度分度时，蜗轮副驱动，齿轮副轴向预载消隙，轴向行程为b+c，消隙方向与转台分度方向相关；
转台高速回转时，齿轮副驱动，消隙油缸的行程为b+2c，达到上极限位置（14）或下极限位置（15），消隙方向与转台回转方向相关；
消隙油缸由液压系统（16）驱动，消隙油缸的压力由减压阀（17）控制，消隙方向由三位四通阀（18）控制。
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