大型齿轮加工机床回转工作台关键技术

目前，我国正在大力发展海洋资源勘探装备、大型舰艇、风电、核电、高速机车、航空航天、军工和大型工程机械等新兴产业。这些行业的快速发展对大型精密齿轮加工机床提出了迫切的市场需求。

图1所示为一款大型齿轮传动装置，大型齿轮位于动力传动关键环节，其加工需要大型数控齿轮加工机床。而数控转台作为大型精密数控齿轮加工机床核心功能部件，起到承载工件、分度及传递精度的作用，要求转速范围宽、响应速度快、承载大及刚性高。工作台参与联动加工，要求定位精度及重复定位精度高、响应快且运行平稳，其性能直接影响整机性能。数控转台的研制是开发大型齿轮加工机床的关键。

图1 大型齿轮传动装置

1.转台驱动技术

大型齿轮加工机床回转工作台主要功能是承载工件并带动工件实现与刀具的相对运动。根据加工方式的不同，转台的运动不同。例如大型内齿轮铣齿机利用成形铣刀加工大型内齿，转台主要用于承载工件及分度。大型数控滚齿机则要求转台与刀具在电子齿轮箱的匹配下构成内联系传动链，实现连续运转。大型数控成形磨齿机则要求转台在加工斜齿轮时能够跟随砂轮在一定角度范围内往复运动。通过对大型齿轮加工工艺分析，大型齿轮加工机床转台需要实现任意角度分度，为避免传动链加工误差对工件精度的影响，需要对转台进行全闭环控制。大型齿轮自身质量大、惯量高，加工过程中需要的驱动转矩大，转台的驱动需要兼顾动力传递及精度传递。

（1）蜗轮蜗杆传动，蜗杆齿廓为连续螺旋面，啮合过程连续平稳、重合度高、冲击小及噪声低，是一种广泛应用的精密传动机构。回转工作台要进行正向和反向的传动和定位，传动系统元件之间的间隙影响其精度，对转台的定位精度、双向重复定位精度、响应时间和运行平稳性等性能指标造成影响。当采用机械传动链时，采用各种不同的结构，消除传动链间隙非常关键。采用蜗轮蜗杆传动关键是合理的消隙技术。为防止制造误差，尤其是齿距误差或者使用过程中的磨损造成过大的间隙，影响运动及精度的准确传递，因此分度蜗杆传动副的传动啮合间隙应尽可能调整到允许的最小值，且能够在使用过程中进行调整补偿。图2所示为蜗轮蜗杆传动结构示意图。

蜗轮蜗杆传动的消隙方式，主要有单头双导程蜗杆消隙、液压马达消隙、复合蜗杆消隙、双蜗杆传动消隙及双蜗轮蜗杆消隙等。

图2 蜗轮蜗杆传动

图3 为双导程蜗杆消隙原理示意图，双导程蜗杆的左、右两齿面导程不等，同一侧导程相等，蜗杆的齿厚从蜗杆的一端向另一端均匀的逐步增厚或减薄。当蜗杆沿其轴向移动时，即可以调整啮合侧隙，啮合间隙可以调整的很小，实现消隙作用。通过轴向移动调整啮合侧隙，调整方便，不改变蜗轮副中心距，齿面接触稳定，有利于保持蜗轮副接触精度。但蜗杆齿距改变，刚度有所减弱，一般在中小型转台中应用较多。

液压马达消隙是通过对液压马达设置高低压从而对蜗轮施加一个预载转矩。一般蜗轮轴与液压马达输出轴平行布置，如图4所示是一种利用液压马达消隙的转台结构。大齿轮与蜗轮副同轴安装，液压马达输出轴齿轮与大齿轮啮合。通过一对齿轮副啮合传动，在蜗轮上施加一个消隙转矩，消隙转矩可以通过调整液压马达两腔压力差来调整。液压马达消隙的关键是压力差的设定，需要综合考虑传动链刚性及切削力作用，消隙转矩大小应在蜗轮蜗杆齿面受到最大切削力作用时始终紧密可靠切合。同时需要注意液压系统的稳定性，避免压力波动引起消隙转矩波动，对运动精度造成影响。

复合蜗杆由两部分构成，如图5所示，左侧蜗杆为实心轴结构，左端有蜗杆齿，右端为光轴结构，右侧蜗杆为空心轴结构，通过滑键联结安装在左侧蜗杆的光轴部分，保持同轴。通过沿轴向调节空心蜗杆实现异侧齿面啮合，使蜗轮两侧齿廓在正反转时分别与主蜗杆和从蜗杆接触，实现传动消隙。

与未作处理的树脂面(图1)相比，35%磷酸处理的树脂面(图2)表面结构变化不大；而打磨粗糙组和打磨粗糙+酸蚀组的树脂可见裂隙及空洞样改变，但两者差别不明显(图3，4)。

双蜗杆传动消隙是利用两个蜗杆分别实现对蜗轮的正反向传动，蜗杆1和蜗杆2可沿轴向调整，分别与蜗轮的左右齿面接触，从而消除正反向传动间隙。蜗杆的布置可以正交也可以平行。采用正交布置时，两蜗杆端部通常采用一对锥齿轮传递运动及精度，实现蜗杆方向调整。采用平行布置时，机械传动链较长，逐渐发展为采用单独的电动机分别驱动两个蜗杆。

清·顾炎武《亭林诗文集》卷之四《子德李子闻余在难特走燕中告急诸友人复驰至 济南省视于其行也作诗赠之》：“将伯呼朝士，同人召友生。”

双蜗轮蜗杆消隙，在一个基体上加工出主副蜗轮齿廓，旋向相反。蜗杆分为主从蜗杆，旋向相反。主从蜗杆之间通过一对齿轮副传递运动和精度，转向相反。电动机驱动主蜗杆与主蜗轮齿廓啮合带动转台回转时，从蜗杆与副蜗轮相反齿廓啮合将蜗轮牢靠“夹持”在啮合区，从蜗杆两端可轴向浮动，在一端有液压缸，通过调节液压缸压力，调整消隙力。图6所示为双蜗轮蜗杆消隙示意图。

图3

图4 液压马达消隙转台结构

1.蜗杆 2.蜗轮 3.大齿轮 4.小齿轮 5.液压马达

蜗轮蜗杆传动的关键是消隙技术，不同的消隙方式性能特点及工程应用范围不同，表1所示为蜗轮蜗杆消隙技术比较。通过比较分析，双蜗轮蜗杆消隙传动最适合大型精密转台驱动，在国外机床有所应用，但技术保密。在国内由于设计、制造难度大，很少被采用。

选取我院牙体牙髓科2014年6月—2017年6月收治的伴发牙髓炎或者根尖周炎的隐裂牙患者共计87例，其中急性牙髓炎患者17例，慢性牙髓炎患者49例，慢性根尖周炎患者21例。排除标准：无法完成治疗的患者，患有全身疾病体弱的患者，牙槽骨吸收超过根长1/2。

（2）力矩电动机直接驱动技术。力矩电动机是一种可以进行大转矩输出的伺服电动机，其特性非常符合数控转台的发展需求。力矩电动机转子与转台运动元件直接相连，避免了机械传动链中的间隙及磨损问题，传动链短，刚性高、动态性能好，可以实现更加精细的微量进给。图7所示为采用力矩电动机直接驱动的转台结构示意图。采用力矩电动机驱动，结构简化，转台更加紧凑。

力矩电动机可以实现低速大转矩，但在超低速运转时，例如转速n＜1r/min时，力矩电动机输出转矩处于不稳定状态，不同厂家生产的力矩电动机对最低转速都有一定限制，在应用中应该避开这一区间。图8所示为西门子电动机给出的力矩电动机机械特性曲线图，可以看到，转速低于1r/min时，电动机输出转矩急速下降，转矩波动较大。当转速高于1r/min时，输出转矩平稳。在大多数的工程应用中，力矩电动机都面向高速高精的应用场合，对超低速的应用较少。

图5 复合蜗杆传动消隙原理

图6 双蜗轮蜗杆消隙传动

1.驱动电动机 2.电动机安装座 3、6.轴承 4.主蜗杆 5.蜗杆座 7.主动齿轮 8、9.螺母10.液压缸 11.隔套 12.液压缸座 13.从动齿轮 14、19衬套 15、18.套环 16.副蜗杆17.调整垫片

表1 蜗轮蜗杆消隙技术比较

消隙方式 结构特点 性能特点 工程应用双导程蜗杆消隙结构紧凑，对蜗杆导程进行了特殊设计，无需增加额外的装置可以通过调整蜗杆轴向位置对磨损量进行补偿。导程调整后蜗杆齿部有所减薄，刚度有所降低适用于轻载液压马达消隙需要增加一套消隙力传动机构，多采用齿轮副或同步带传动可以通过对液压马达高低压腔压差进行控制，调整消隙力适用于中小型设备，应用广泛复合蜗杆消隙结构紧凑，对蜗杆导程进行了特殊设计，无需增加额外的装置两段蜗杆分别和蜗轮副异侧齿面啮合，分别驱动蜗轮副正反方向的运动国外应用较多，适用于轻载荷场合双蜗杆消隙两个蜗杆通过传动链进行连接，转化旋转方向。常见的方式为两蜗杆正交布置，通过一对锥齿轮传递运动，分别和蜗轮副异侧齿面啮合两蜗杆传动链之间的精度对消隙效果产生耦合干扰应用较多，适用于大型化、常规精度的设备双蜗轮蜗杆消隙蜗轮为两圈齿，螺旋角大小相等，方向相反。两蜗杆平行布置，旋向相反加宽了蜗轮齿宽，啮合刚度得到提高。从蜗杆浮动，消隙刚度可控国外有所应用，技术保密。国内由于技术难度大，尚未推广

力矩电动机本质是一种机械特性较软的伺服电动机，可以输出大转矩，缩短了机械传动链。其运行平稳性取决于转子对定子磁场的同步跟随能力。一般力矩电动机采用定子开槽，转子永磁体结构，在转子和定子齿的边缘将产生平均值为零的波动力矩。由于主要由定子开槽结构引起，又称齿槽力矩波动。力矩电动机直接和负载相连，力矩波动直接传递至负载，将对系统速度平稳性及控制精度产生影响。尤其在轻载及低速运行状态下，波动力矩占输出力矩的比例增大，为了减少齿槽效应，提高力矩电动机性能，发展了斜槽力矩电动机和无槽力矩电动机。

（3）双电动机电消隙驱动技术。双驱技术消隙的基本原理如图9所示，转台采用精密齿轮驱动，驱动单元由两组性能相同的伺服电动机和减速机构组成。大齿圈和转台台面相对固定，两组驱动单元同时和齿圈啮合驱动转台回转。两组驱动单元通过数控系统控制，在两组驱动单元之间提供一个偏置力矩，驱动单元输出端齿轮和大齿圈异面啮合使大齿圈不能在齿轮间摆动，从而达到消除间隙，提高系统精度的目的。两组驱动单元有主从之分，转台回转时，控制系统对主驱动单元进行位置环控制，实现对转台角度位置的精确控制，对从动驱动单元进行速度环控制。从动单元对主驱动单元进行速度跟随，不考虑二者之间的位置偏差，不进行位置比较，避免振荡。在静止状态下，两个驱动单元输出大小相等、方向相反的转矩，各自拖动的小齿轮分别与大齿圈的两个齿轮处于异面啮合状态。

实现方法为当转台转动时，M1力矩增大，M2力矩减小，保持一个设定的力矩差后，保持匀速。换向时，M1力矩减小，M2力矩增大，M1力矩减小至零后反向， M1 、M2方向相反，保持消隙状态，工作台反转。

图8中给出了三个典型风向下测点层L1处两个轴向平均位移响应随风速的变化。图中所给风速和位移值均已按表1中相似比换算至原型，且图中的响应值为同层左右两个测点代数平均后的结果(下文中如无特别说明，均指按此方式处理后数据)。由图8中可见：随风速增大，测点位移响应基本呈抛物线趋势逐渐增大，且风速越大，三风场下位移响应间的差距也越大；相同风速下，输电塔在冲击风1下产生的位移明显高于冲击风2下所产生的位移值，B类风场位移响应约处于两冲击风场之间；不同风速时，输电塔在冲击风场和B类风场下的位移响应变化规律基本一致。

图7 力矩电动机直接驱动回转工作台

1.编码器 2.转子 3.定子 4.轴承 5.回转台 6.液压分配器

图8 力矩电动机极低转速下转矩输出不稳定

双电动机电消隙驱动技术的关键在于对电动机的伺服控制，控制逻辑及动作时序控制要始终使齿轮齿圈副处于异侧齿面接触状态。偏置力矩的设定在满足正反转消隙的前提下，尽可能小，以减小电动机自身能耗。目前所述高档数控系统都开发了相应的控制模块，促进了这一消隙传动方案的应用。目前在大型车铣复合类机床中应用广泛，在磨削类机床中应用较少。

（4）转台驱动方案的分析比较。蜗轮蜗杆副是一种精密传动副，发展了不同廓形的蜗轮蜗杆副满足不同工况的需求。随着数控机床的发展，蜗轮副的加工精度也不断提高，蜗轮副传递高精度需要合理的消隙方法，到目前仍是应用最为广泛的一种精密驱动方法，在各类精密分度装置中得到广泛应用。力矩电动机是随着数控技术发展以及机床向高速高精密方向发展而产生的一种新型驱动方式，弥补了机械传动链存在反向间隙的不足，长期运行不磨损，精度保持性高，在新型高速高精密机床中得到广泛运用，但其对负载惯量波动的适应能力较弱，在控制方法上还在不断摸索发展。双电动机电气消隙传动是随着机床的大型化发展而来的一种新型传动方式，可以做到超大直径，在目前的大型车铣复合类机床中得到广泛应用。双蜗轮蜗杆消隙传动继承了蜗轮蜗杆副精密传动的性能，弥补了蜗轮材质强度低对啮合刚度带来的影响。表2所示为转台驱动方案分析比较情况。

5）增加公示语翻译的数量。通过调研，我们发现楚雄市汉语公示语英译的数量还远远不够，因此建议政府有关部门大力增加双语公示语指示牌，尤其是在功能性建筑物上和彝族文化活动场所设立汉英彝三语公示牌，这样不仅能够更好地满足国外受众群的生活需求，而且也能促进城市文明和彝族文化的对外传播和交流。

首先，工程成本管理不规范，资源浪费现象严重。公路工程在施工前一般会对项目成本进行预算，但是由于各个企业的技术人员缺乏成本管理的概念，对成本预算缺少有机控制，导致成本预算无法发挥作用，资源浪费现象严重增加成本投入。

2.大型转台回转支承技术

（1）转台滚动轴承支承。转台支承精度对转台精度有较大影响。大型精密转台的支承方式主要有轴承和静压两种。转台回转精度主要取决于轴承回转精度。应用于大型转台支承的轴承主要有交叉滚子轴承，推力、向心滚子轴承，推力角接触球轴承及YRT轴承。推力、向心球轴承属于复合轴承，能同时承受轴向载荷、径向载荷及倾覆力矩，适于精密回转工作台和高速回转工作台。推力、向心滚子轴承和推力、向心球轴承结构类似，滚动体和轴承轨道之间为线接触，适于承受大倾覆力矩，承载力高。交叉滚子轴承是这几年发展起来的一种高精度支承轴承，采用圆柱滚子，相隔滚子轴线呈90°排列，一个轴承便能承受径向负荷、轴向负荷及力矩负荷等所有方向的负荷。图10所示为一款采用YRT轴承支承的转台结构示意图。

（2）静压支承。随着对机床承载、精度及运行平稳性要求的提高。静压支承摩擦系数小、机械效率高及刚度高，越来越多的大型转台选用静压支承。静压支承是将静压油通入导轨面，在导轨面之间建立起一层油膜，油膜处于层流状态，具有良好的润滑性及减摩吸振作用。其摩擦系数大约为0.000 5，是高度直线导轨的1/2，动静摩擦系数更小，消除了大型转台的“爬行”现象。静压支承相比滑动导轨副和直线导轨副寿命更长、刚度更高，长期使用无磨损，运行更加平稳。图11所示为静压轴承支承的转台结构示意图。

（3）支承方案比较分析。转台支承主要起到承载、限位和导向的作用。转台轴承和静压支承在各类转台中都有广泛应用。根据机床加工工艺特点，选择合理的支承方案，在实现机床各项设计性能的前提下获得高的性价比。表3所示为转台轴承和静压支承的技术特性比较。

图9 双电动机消隙原理

表2 转台驱动方案分析比较

比较项目 蜗轮蜗杆驱动 力矩电动机驱动 双电动机电气消隙驱动传动链误差有大周期误差和小周期误差，依赖蜗轮副加工精度转子对定子磁场的跟随精度，理论上同步依赖于齿轮副制造精度反向间隙 依赖消隙装置 无 基本消除刚度 啮合系数大，刚度足 取决于电气特性 高负载惯量适应能力不敏感敏感，需要配置不同的控制参数进行惯量匹配不敏感平稳性 啮合副重叠系数高，运行平稳 运行平稳 终端齿轮副齿廓精度影响较大应用场合 精密分度，精密数控机床精密分度，精密数控机床 大型机床

图10 大型轴承支承的大型转台

图11 静压轴承支承的大型转台

3.大型转台位置检测方法比较

转台做回转运动，要求高的角位移精度。角位移精度一方面取决于回转运动传动链的机械精度，另一方面则取决于控制精度。对于精度要求不高的应用场合常采用半闭环的控制方法，对位置的检测通过驱动电动机编码器间接获取，其中包含了传动副的制造误差。对高精度转台，机械传动链的误差不容忽视，越来越多应用全闭环进行控制。通过对转台实际运动位置的检测，识别出位置误差，由控制系统控制驱动电动机进行位置纠正。对实际位置的准确检测是实现全闭环的一项基础前提。对大型转台角度位置进行检测，常用的检测元件有大型光栅尺、磁栅尺及钢栅尺。

光栅尺是一种精密的光学测量元件，是在钢基体或玻璃基体上采用光刻法精细刻线，利用干涉扫描原理将精细光栅的衍射和干涉形成位移信号实现对位置的检测及反馈。光栅尺有直线尺和圆光栅尺，分别用于线性位置和角度位置的检测。对于大型转台角位置的检测常用模块式光栅尺，结构简单，转台结构的集成度高。目前海德汉开发的大型模块式光栅尺最大直径1 145.73mm。

磁栅尺通过录磁头在磁性尺上录制出间隔严格相等的磁波，其工作原理是磁电转换，磁波传递稳定，捕获准确才能实现位置精度的准确检测。空气的磁阻较大，对磁波的损耗大，均匀的间隙是磁栅尺正常可靠工作的前提。

钢栅尺是采用照相腐蚀刻制方法在钢带上刻制出的高精度栅格，读数头带移动磁阻芯的变压器工作原理，当读数头和测量尺之间沿测量方向有相对运动时，每组线圈的互感会周期性地改变，从而产生两路相位相差90°的正弦信号，对信号进行处理实现对位置的检测识别。

选择合适的质控品,且科学应用,尽可能减少误差,利于提高结果的精确性;同时,加强实验室内质控,做好失控的相关准备工作。

角度位置检测的准确性对系统控制精度影响很大，角度测量精度取决于测量尺质量，包括扫描质量、信号处理电路质量、光栅与轴承偏心量、轴承径向圆跳动及光栅清洁度等。角度测量精度直接决定转台的定位精度，系统精度反映了一转和单信号周期内的位置偏差，一转内的位置偏差对大角度运动非常明显，反映了累积精度。如表4所示，通过对常用的角度位置检测元件进行分析比较，对大型高精度数控转台位置检测，应采用圆光栅尺。

表3 转台轴承和静压支承的技术特性比较

比较项目 轴承支承 静压支承摩擦系数 0.001～0.003 0.000 5承载能力 滚子类高于球支承类，整体不及静压支承 高，可达到数百吨转速 可以实现高转速应用在中、低速，转速过高离心力造成油膜不均，封油边失效。易吸入空气破坏静压层流发热 油润滑的温升优于脂润滑 有油膜搅拌发热，一般静压油都进行恒温冷却控制低速性能低于10r/min，轴承处于低转速区域，滚子和滚道之间难以形成润滑油膜，运行阻力增大，易发生轨道挤压形变低速性能优异，可以实现超低速运行附件 油润滑时需要供油泵 需要一套静压系统，高精度时需配置恒温冷却系统对驱动的响应能力 低速时，动静摩擦系数差异大，易发生爬行 灵敏度高主要应用 高速切削机床 大型及重型机床，精密机床

表4 大型转台位置检测方法比较

对比项目 圆光栅尺 磁栅尺 钢栅尺精度 高精度 一般精度 精密级分辨率 取决于刻线精度及细分信号处理取决于刻线精度及细分信号处理取决于刻线精度及细分信号处理抗干扰 有较强的抗电磁辐射能力碰触磁性介质容易消磁对电磁辐射敏感抗污染能力 对油污，灰尘等污染物敏感，需要严格防护 对污染物不敏感 对污染物不敏感主要应用场合 高精度位置检测，高精度数控机床 大型成套设备 精密数控机床

4.结语

通过对大型齿轮加工工艺分析，提出大型齿轮加工机床转台基本性能要求，对转台进行功能划分，对大型转台研制涉及的关键技术进行论述。对比了目前应用广泛的几种蜗轮蜗杆传动消隙技术，分析了各自的优劣；对力矩电动机直接驱动技术进行介绍，阐述了力矩电动机应用中的关键点；介绍了双电动机驱动消隙技术原理，对消隙的实现方法及控制点进行了阐述；对比了几种支承方式的优劣，最后对转台位置检测进行介绍，讨论了影响检测精度的原因。为大型齿轮加工机床回转工作台研制提供理论支撑。

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