CN103624555B - 静压重载直驱高精度回转工作台 - Google Patents
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Abstract
一种静压重载直驱高精度回转工作台，包括转台由底座（1）、压板（2）、主导轨静压油腔（3）、静压芯轴油腔（4）、工作台面（5）、静压回油系统（6）、力矩电机定子（7）、定子固定支座（8）、读数头（9）、钢带式光栅及安装支座（10）、转子安装支座（11）、力矩电机转子（12）、集油盆（13）、水冷却系统（14）、齿轮分配器（15）、多头泵（16）、主导轨油腔（17）、压板油腔（18）、芯轴泵站系统（19）、导轨泵站系统（20）、供油系统和回油系统组成；本发明由大扭矩电机转子直驱，实现零传动，结构紧凑、工作可靠；结合静压导轨极低摩擦系数特性，转台伺服刚性高、动态响应特性快、静差小。
Description
技术领域
本发明属于机械加工领域，涉及一种数控装备驱动装置，尤其涉及一种静压重载直驱高精度回转工作台。
背景技术
传统数控转台传动系统通常有鼠齿盘、双齿轮、单蜗轮蜗杆和双蜗轮蜗杆等机构。鼠齿盘转台具有很高的定位精度，但仅限于有限分度功能，不能满足数控联动插补加工。双齿轮驱动转台可以获得较高的定位精度，但其传动链长，消隙算法复杂，伺服刚性差，不能进行高精度数控联动加工。单蜗轮副驱动转台利用双导程蜗杆可以消除部分传动间隙，具有一定的定位精度和数控联动精度，广泛应用于加工精度要求一般的场合。双蜗轮蜗杆驱动转台利用两套独立的蜗轮副分别进行分度驱动与消隙驱动，具有很高伺服刚性、定位精度和数控联动精度。但双蜗轮副转台要求母蜗轮副制造精度极高，一般滚齿机难以满足要求；另一方面，双蜗轮副转台液压消隙算法复杂，鲁棒性较弱。
近年来出现的直驱转台利用力矩电机作为动力实现零传动，结构简单、无反向间隙、运行平稳、低速特性好，是一种较为理想的传动形式，广泛应用于机床、包装等行业中。但现有直驱转台通常采用整体式旋转编码器同心安装在转台回转轴心上，转台中心孔或为较小的通孔或为盲孔，无法满足大尺寸工件需要通过转台中间孔的工况。同时，现有转台通常采用转台轴承，承载小，启动阻尼大，降低了转台的动态响应特性。
发明内容
本发明针对现有转台技术中存在的不足，发明一种静压重载直驱高精度回转工作台，转台采用钢带式光栅作为全闭环反馈系统，径向定心和轴向承载均采用恒流式静压轴承，具有中空、重载、定位精度高、响应特性快、结构简单等特点。
本发明的技术方案是：
一种静压重载直驱高精度回转工作台，包括转台由底座1、压板2、主导轨静压油腔3、静压芯轴油腔4、工作台面5、静压回油系统6、力矩电机定子7、定子固定支座8、读数头9、钢带式光栅及安装支座10、转子安装支座11、力矩电机转子12、集油盆13、水冷却系统14、齿轮分配器、多头泵16、主导轨油腔17、压板油腔18、芯轴泵站系统19、导轨泵站系统20、供油系统和回油系统组成；所述底座1转台底座和工作台面5工作台面之间的径向轴承配合柱面上开有均布的矩形静压油腔槽，通过多点齿轮分配器给各个油腔进行恒流供油；底座1转台底座端面开有均布的扇形油腔；通过齿轮式的多头泵16分别对各个油腔单独供油；工作台面5周边配置有均布的压板2，压板2下面设置主导轨静压油腔3静压油腔，通过多头泵16多头泵供油，与工作台面5工作台周边形成静压导轨副，用以承受转台工作过程中的倾覆力矩，提高转台动载特性。
所述底座1为铸造结构，其上端面开有6个均布的静压油腔形成转台的主导轨面，中间通孔上部分与静压芯轴通过公差配合形成径向定位静压轴承副，中间通孔下端面设有周向均布安装螺纹孔，通过定子固定支座8将力矩电机定子7固定在底座1当中。
所述工作台面5的上端面均布6条通长T型槽，可通过T型螺钉固定工件；工作台面5下端面通过刮研工艺与底座1的主导轨面配合形成主导轨静压油腔3，工作台面中段外圆处开有8个均布的矩形静压油腔，与底座1的内孔配合形成径向静压轴承。
所述工作台面5下端面均布螺钉安装孔，通过转子安装支座11将力矩电机转子12和工作台面5进行连接，并保证力矩电机定子7和力矩电机转子12的轴向位置和径向间隙满足力矩电机装配要求。
所述若干块压板2均布在底座1周边，压板下面开有恒流油腔，与工作台面5的边缘辅助导轨配合，通入静压油后可以有效地防止倾覆力矩造成转台的倾斜与振动。
所述钢带式光栅及安装支座10固连在转子安装支座11上，与工作台面同步旋转运动；读数头9安装在定子固定支座8上，且与底座1相对固定。工作台面旋转时，可通过光栅反馈系统对力矩电机的转子位置进行识别和控制。
所述回油系统由芯轴泵站系统19作为前给输油装置，前给输油装置将静压油泵送至齿轮分配器，通过齿轮分配器中8对相互啮合的齿轮将油液等量的输送到静压芯轴油腔4中，在径向静压轴承副中形成均匀承载油膜，实现高精度径向定位与承载。
所述导轨泵站系统20为转台主导轨和反向压板供油，其实现方法与芯轴泵站系统19相同，通过前给的导轨泵站系统20将液压油输送至多头泵16中，多头泵16输入电机轴带动盘形齿轮对进行啮合，将送入的油液进行等量分配，分别泵送给主导轨油腔17和压板油腔18，在主导轨副和压板副之间形成静压油膜，承受轴向载荷和倾覆力矩。
所述压板2和主导轨静压油腔3的静压油从封油边流出后汇集至底座上端面的主导轨回油槽中，通过静压芯轴的回油槽流至静压回油系统6。静压芯轴油腔4的静压油经过封油边直接回流至静压回油系统6，所有回流至静压回油系统6的液压油统一通过工作台面5内部的回油通道回收至集油盆13中，再由外接回油管道返回至液压站系统。
所述力矩电机定转子冷却系统由高压冷却泵将具有防锈功能的冷却水通过水冷却系统14注入定子内部的冷却循环槽进行循环冷却，以降低电机工作温度，保证输出额定扭矩。
底座1和工作台面5之间的径向轴承配合柱面上开有均布的矩形静压油腔槽，通过多点齿轮分配器给各个油腔进行恒流供油。通过精密加工的轴承副和油腔误差均化作用使转台具有很高的回转精度；通过调节供油量，使轴承副之间形成静压油膜，满足转台在不同工况下的径向刚度要求。
底座1端面开有均布的扇形油腔，利用刮削工艺和工作台面主导轨之间形成高精度静压油腔，通过齿轮式的多头泵16分别对各个油腔单独供油。转台控制系统通过监控油腔工作压力进行负载自适应调节，使转台在不同工况下保持稳定的油膜厚度。根据静压油腔的工作原理，转台利用较小面积的静压环形导轨可获得承受重载能力。
工作台面5周边配置有均布的压板2，压板2下面设置主导轨静压油腔3，通过多头泵16供油，与工作台面5周边形成静压导轨副，用以承受转台工作过程中的倾覆力矩，提高转台动载特性。
力矩电机定子7外圆与底座1内孔配合，定子端面的螺孔与法兰连接，并将法兰固定在底座上。电机转子内孔和工作台面下部的主轴配合，通过法兰将定子和工作台面固定。
本发明的静压重载直驱高精度回转工作台采用整圆型外径安装式钢带光栅尺作为闭环反馈控制系统，光栅的定尺部分通过法兰盘安装在工作台面下端的主轴端部，和工作台面一起旋转，读数头安装在固定电机定子的法兰盘上。光栅测量系统靠近力矩电机安装，有效减小主轴扭曲变形造成的控制系统时滞误差；整圆钢带型光栅尺可以获取更大的工作台中间通孔。
转台采用静压恒流技术，分别分三路供给径向静压芯轴、主导轨及反向压板。静压芯轴由齿轮分配器供油，前给泵将液压油注入齿轮分配器后，通过分配器的同步联动齿轮组将油等量供油芯轴油腔。主导轨和反向压板由多头泵供油，多头泵将前给泵泵送的油液通过齿轮组等量注入主导轨及反向压板油腔。压板、主导轨及静压芯轴的回油统一通过工作台内部的油路通道返回到转台底部的集油池，返回到液压站。为防止回油路故障时，油液溢进力矩电机致电机损坏，在主轴上开有溢流孔，使得多余油液直接流出转台。
力矩电机需要较为干净的工作环境，在力矩电机的上下端部分别装有单唇形旋转密封圈，同时防止静压导轨和转台集油池的油气挥发到力矩电机内部。在转台侧边设有冷却通道，利用冷却站将防锈水介质通入转子内部的冷却槽，使电机在许可的温度范围内工作，保证电机输出规定的扭矩。
本发明的有益效果是：
同现有转台技术相比较，本发明的静压重载直驱高精度回转工作台采用恒流静压结构的径向芯轴轴承和端面主导轨结构，具有承载能力大，承载刚性高的特点，同时兼具承重自适应能力，保证转台在不同工况下始终保持最佳工作油膜厚度。
本发明的静压重载直驱高精度回转工作台转台由大扭矩电机转子直驱，实现零传动，结构紧凑、工作可靠；结合静压导轨极低摩擦系数特性，转台伺服刚性高、动态响应特性快、静差小。
本发明的静压重载直驱高精度回转工作台利用整圆钢带光栅，不仅具有很高的测量精度，而且可以获得最大的转台中空孔，满足长工件加工需要。转台采用可靠的供油和回油装置，防止杂质对液压油形成污染，提高了整机的工作精度和可靠性。
附图说明
图1为本发明的静压重载直驱高精度回转工作台的结构示意图。
图2为本发明的静压重载直驱高精度回转工作台的供油回路示意图。
图示说明：1、底座；2、压板；3、主导轨静压油腔；4、静压芯轴油腔；5、工作台面；6、静压回油系统；7、力矩电机定子；8、定子固定支座；9、读数头；10、钢带式光栅及安装支座；11、转子安装支座；12、力矩电机转子；13、集油盆；14、水冷却系统；16、多头泵；17、主导轨油腔；18、压板油腔；19、芯轴泵站系统；20、导轨泵站系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
如图1、图2，一种静压重载直驱高精度回转工作台，包括转台由底座1、压板2、主导轨静压油腔3、静压芯轴油腔4、工作台面5、静压回油系统6、力矩电机定子7、定子固定支座8、读数头9、钢带式光栅及安装支座10、转子安装支座11、力矩电机转子12、集油盆13、水冷却系统14、齿轮分配器、多头泵16、主导轨油腔17、压板油腔18、芯轴泵站系统19、导轨泵站系统20、供油系统和回油系统组成；所述底座1转台底座和工作台面5工作台面之间的径向轴承配合柱面上开有均布的矩形静压油腔槽，通过多点齿轮分配器给各个油腔进行恒流供油；底座1转台底座端面开有均布的扇形油腔；通过齿轮式的多头泵16分别对各个油腔单独供油；工作台面5周边配置有均布的压板2，压板2下面设置主导轨静压油腔3静压油腔，通过多头泵16多头泵供油，与工作台面5工作台周边形成静压导轨副，用以承受转台工作过程中的倾覆力矩，提高转台动载特性。
所述底座1为铸造结构，其上端面开有6个均布的静压油腔形成转台的主导轨面，中间通孔上部分与静压芯轴通过公差配合形成径向定位静压轴承副，中间通孔下端面设有周向均布安装螺纹孔，通过定子固定支座8将力矩电机定子7固定在底座1当中。
所述工作台面5的上端面均布6条通长T型槽，可通过T型螺钉固定工件；工作台面5下端面通过刮研工艺与底座1的主导轨面配合形成主导轨静压油腔3，工作台面中段外圆处开有8个均布的矩形静压油腔，与底座1的内孔配合形成径向静压轴承。
所述工作台面5下端面均布螺钉安装孔，通过转子安装支座11将力矩电机转子12和工作台面5进行连接，并保证力矩电机定子7和力矩电机转子12的轴向位置和径向间隙满足力矩电机装配要求。
所述若干块压板2均布在底座1周边，压板下面开有恒流油腔，与工作台面5的边缘辅助导轨配合，通入静压油后可以有效地防止倾覆力矩造成转台的倾斜与振动。
所述钢带式光栅及安装支座10固连在转子安装支座11上，与工作台面同步旋转运动；读数头9安装在定子固定支座8上，且与底座1相对固定。工作台面旋转时，可通过光栅反馈系统对力矩电机的转子位置进行识别和控制。
所述回油系统由芯轴泵站系统19作为前给输油装置，前给输油装置将静压油泵送至齿轮分配器，通过齿轮分配器中8对相互啮合的齿轮将油液等量的输送到静压芯轴油腔4中，在径向静压轴承副中形成均匀承载油膜，实现高精度径向定位与承载。
所述导轨泵站系统20为转台主导轨和反向压板供油，其实现方法与芯轴泵站系统19相同，通过前给的导轨泵站系统20将液压油输送至多头泵16中，多头泵16输入电机轴带动盘形齿轮对进行啮合，将送入的油液进行等量分配，分别泵送给主导轨油腔17和压板油腔18，在主导轨副和压板副之间形成静压油膜，承受轴向载荷和倾覆力矩。
所述压板2和主导轨静压油腔3的静压油从封油边流出后汇集至底座上端面的主导轨回油槽中，通过静压芯轴的回油槽流至静压回油系统6。静压芯轴油腔4的静压油经过封油边直接回流至静压回油系统6，所有回流至静压回油系统6的液压油统一通过工作台面5内部的回油通道回收至集油盆13中，再由外接回油管道返回至液压站系统。
所述力矩电机定转子冷却系统由高压冷却泵将具有防锈功能的冷却水通过水冷却系统14注入定子内部的冷却循环槽进行循环冷却，以降低电机工作温度，保证输出额定扭矩。
底座1为铸造结构，其上端面开有6个均布的静压油腔形成转台的主导轨面，中间通孔上部分与静压芯轴通过公差H/f配合形成径向定位静压轴承副，中间通孔下端面设有周向均布安装螺纹孔，通过定子固定支座8将力矩电机定子7固定在底座1当中。
工作台面5的上端面均布6条通长T型槽，可通过T型螺钉固定工件；工作台面5下端面通过刮研工艺与底座1的主导轨面配合形成主导轨静压油腔3，通过静压油膜可承受重载，并具有很高的承载刚性和良好的端面跳动误差。工作台面中段外圆处开有8个均布的矩形静压油腔，与底座1的内孔配合形成径向静压轴承，可获得良好的径向承载刚性和很小的径向跳动误差。工作台面5下端面均布螺钉安装孔，通过转子安装支座11将力矩电机转子12和工作台面5进行连接，并保证力矩电机定子7和力矩电机转子12的轴向位置和径向间隙满足力矩电机装配要求。工作台面5中间设有大直径通孔，可满足大直径工件通过转台中间孔的需要。
4块压板2均布在底座1周边，压板下面开有恒流油腔，与工作台面5的边缘辅助导轨配合，通入静压油后可以有效地防止倾覆力矩造成转台的倾斜与振动。
钢带式光栅及安装支座10固连在转子安装支座11上，与工作台面同步旋转运动；读数头9安装在定子固定支座8上，且与底座1相对固定。工作台面旋转时，可通过光栅反馈系统对力矩电机的转子位置进行识别和控制。
图2所示的供油回路系统由芯轴泵站系统19作为前给输油装置，通过溢流阀可以调节前给供油压力大小，通过压力传感器监控静压芯轴的工作压力情况。前给输油装置将静压油泵送至齿轮分配器，通过齿轮分配器中8对相互啮合的齿轮将油液等量的输送到静压芯轴油腔4中，在径向静压轴承副中形成均匀承载油膜，实现高精度径向定位与承载。导轨泵站系统20为转台主导轨和反向压板供油，其实现方法与芯轴泵站系统19相同。通过前给的导轨泵站系统20将液压油输送至多头泵16中，多头泵16输入电机轴带动盘形齿轮对进行啮合，将送入的油液进行等量分配，分别泵送给主导轨油腔17和压板油腔18，在主导轨副和压板副之间形成静压油膜，承受轴向载荷和倾覆力矩。
压板2和主导轨静压油腔3的静压油从封油边流出后汇集至底座上端面的主导轨回油槽中，通过静压芯轴的回油槽流至静压回油系统6。静压芯轴油腔4的静压油经过封油边直接回流至静压回油系统6。所有回流至静压回油系统6的液压油统一通过工作台面5内部的回油通道回收至集油盆13中，再由外接回油管道返回至液压站系统。
力矩电机定转子冷却系统由高压冷却泵将具有防锈功能的冷却水通过水冷却系统14注入定子内部的冷却循环槽进行循环冷却，以降低电机工作温度，保证输出额定扭矩。
根据上述实施方案进行试验验证，本发明具有结构简单、精度高、动态特性好、承载能力大等特点。实验结果表明，工作台面直径为1000mm的转台，其中孔孔径达450mm，额定输出扭矩达6000NM，定位精度和重复定位精度分别为3”和1.5”；主导轨静压油腔工作压力为0.4MPa时，其承载达到10吨，台面跳动小于0.02mm；静压芯轴压力为1MPa时，径向承载刚性达到400牛顿/微米，回转径向跳动达0.003mm；转台在额定载荷下的阶跃飞升时间小于0.08秒。按该实施方案的转台可以满足各类有间断及连续分度要求的数控装备。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。
Claims (10)
1.一种静压重载直驱高精度回转工作台，其特征是，其包括底座（1）、压板（2）、主导轨静压油腔（3）、静压芯轴油腔（4）、工作台面（5）、静压回油系统（6）、力矩电机定子（7）、定子固定支座（8）、读数头（9）、钢带式光栅及安装支座（10）、转子安装支座（11）、力矩电机转子（12）、集油盆（13）、水冷却系统（14）、齿轮分配器、多头泵（16）、主导轨油腔（17）、压板油腔（18）、芯轴泵站系统（19）、导轨泵站系统（20）、供油系统和回油系统；所述底座（1）和工作台面（5）之间的径向轴承配合柱面上开有均布的矩形静压油腔槽，通过多点齿轮分配器给各个油腔进行恒流供油；底座（1）端面开有均布的扇形油腔；通过齿轮式的多头泵（16）分别对各个油腔单独供油；工作台面（5）周边配置有均布的压板（2），压板（2）下面设置主导轨静压油腔（3），通过多头泵（16）供油，与工作台面（5）周边形成静压导轨副，用以承受转台工作过程中的倾覆力矩，提高转台动载特性。
2.根据权利要求1所述的静压重载直驱高精度回转工作台，其特征在于所述底座（1）为铸造结构，其上端面开有6个均布的静压油腔形成转台的主导轨面，中间通孔上部分与静压芯轴通过公差配合形成径向定位静压轴承副，中间通孔下端面设有周向均布安装螺纹孔，通过定子固定支座（8）将力矩电机定子（7）固定在底座（1）当中。
3.根据权利要求1所述的静压重载直驱高精度回转工作台，其特征在于所述工作台面（5）的上端面均布6条通长T型槽，通过T型螺钉固定工件；工作台面（5）下端面通过刮研工艺与底座（1）的主导轨面配合形成主导轨静压油腔（3），工作台面中段外圆处开有8个均布的矩形静压油腔，与底座（1）的内孔配合形成径向静压轴承。
4.根据权利要求1所述的静压重载直驱高精度回转工作台，其特征在于所述工作台面（5）下端面均布螺钉安装孔，通过转子安装支座（11）将力矩电机转子（12）和工作台面（5）进行连接，并保证力矩电机定子（7）和力矩电机转子（12）的轴向位置和径向间隙满足力矩电机装配要求。
5.根据权利要求1所述的静压重载直驱高精度回转工作台，其特征在于若干块所述压板（2）均布在底座（1）周边，压板下面开有恒流油腔，与工作台面（5）的边缘辅助导轨配合，通入静压油后可以有效地防止倾覆力矩造成转台的倾斜与振动。
6.根据权利要求1所述的静压重载直驱高精度回转工作台，其特征在于所述钢带式光栅及安装支座（10）固连在转子安装支座（11）上，与工作台面同步旋转运动；读数头（9）安装在定子固定支座（8）上，且与底座（1）相对固定，工作台面旋转时，可通过光栅反馈系统对力矩电机的转子位置进行识别和控制。
7.根据权利要求1所述的静压重载直驱高精度回转工作台，其特征在于所述回油系统由芯轴泵站系统（19）作为前给输油装置，前给输油装置将静压油泵送至齿轮分配器，通过齿轮分配器中8对相互啮合的齿轮将油液等量的输送到静压芯轴油腔（4）中，在径向静压轴承副中形成均匀承载油膜，实现高精度径向定位与承载。
8.根据权利要求1所述的静压重载直驱高精度回转工作台，其特征在于所述导轨泵站系统（20）为转台主导轨和反向压板供油，其实现方法与芯轴泵站系统（19）相同，通过前给的导轨泵站系统（20）将液压油输送至多头泵（16）中，多头泵（16）输入电机轴带动盘形齿轮进行啮合，将送入的油液进行等量分配，分别泵送给主导轨油腔（17）和压板油腔（18），在主导轨副和压板副之间形成静压油膜，承受轴向载荷和倾覆力矩。
9.根据权利要求1所述的静压重载直驱高精度回转工作台，其特征在于所述压板（2）和主导轨静压油腔（3）的静压油从封油边流出后汇集至底座上端面的主导轨回油槽中，通过静压芯轴的回油槽流至静压回油系统（6），静压芯轴油腔（4）的静压油经过封油边直接回流至静压回油系统（6），所有回流至静压回油系统（6）的液压油统一通过工作台面（5）内部的回油通道回收至集油盆（13）中，再由外接回油管道返回至液压站系统。
10.根据权利要求1所述的静压重载直驱高精度回转工作台，其特征在于所述静压重载直驱高精度回转工作台还包括力矩电机定转子冷却系统，力矩电机定转子冷却系统由高压冷却泵将具有防锈功能的冷却水通过水冷却系统（14）注入定子内部的冷却循环槽进行循环冷却，以降低电机工作温度，保证输出额定扭矩。
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