基于力矩伺服電機(jī)的數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)原理及維修對(duì)策

徐緒浩

摘 要：數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)一般是由伺服電機(jī)通過(guò)渦輪蝸桿驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在著反應(yīng)慢，精度低、扭矩小的缺陷。隨著數(shù)控機(jī)床行業(yè)的高速發(fā)展，基于力矩伺服電機(jī)的數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)用越來(lái)越多，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修難度大等制約著大批用戶(hù)。文章從力矩伺服電機(jī)的數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)工作原理及結(jié)構(gòu)入手，對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析并給出了維修對(duì)策。

關(guān)鍵詞：力矩伺服電機(jī)；數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)；原理及維修

1 概述

隨著我國(guó)工業(yè)的高速發(fā)展和國(guó)防建設(shè)的需要，高精度、多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床在各種加工行業(yè)中越來(lái)越普及，占有率越來(lái)越高。這種數(shù)控機(jī)床由繞直線(xiàn)軸X、Y、Z旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸和直線(xiàn)軸一起構(gòu)成多軸聯(lián)動(dòng)的加工中心，可以加工出各種復(fù)雜的零件。普通的旋轉(zhuǎn)軸一般都是由伺服電機(jī)、渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)、定位鎖死系統(tǒng)等構(gòu)成，共有兩種基本類(lèi)別：一種是工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸，另一種則是依靠主軸頭回轉(zhuǎn)。本文只討論工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸。

2 普通數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)

工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸也叫數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)，早期的數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)主要由伺服電機(jī)通過(guò)減速齒輪及蝸輪蝸桿帶動(dòng)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)，工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)位置用編碼器測(cè)量。測(cè)量結(jié)果發(fā)出反饋信號(hào)與數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號(hào)比較，若有偏差經(jīng)放大器控制交流伺服電機(jī)朝消除偏差方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使工作臺(tái)精確運(yùn)動(dòng)或定位。當(dāng)工作臺(tái)靜止時(shí)，必須處于鎖緊狀態(tài)。工作臺(tái)面的鎖緊用液壓缸來(lái)完成，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出夾緊指令時(shí)，液壓缸上腔進(jìn)油，活塞下移，帶動(dòng)夾緊裝置，從而把蝸輪夾緊。當(dāng)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，液壓缸上腔的壓力油回油箱，在彈簧的作用下，夾緊裝置松開(kāi)，不再夾緊蝸輪。然后按數(shù)控系統(tǒng)的指令，由交流伺服電機(jī)，通過(guò)傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的分度轉(zhuǎn)位、定位、夾緊或連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3 基于力矩伺服電機(jī)數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)和功能

力矩電機(jī)類(lèi)似于直線(xiàn)電機(jī)，是一種基于同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的直接驅(qū)動(dòng)器。它由定子、轉(zhuǎn)子、水冷卻系統(tǒng)等組成。轉(zhuǎn)子為一鑲有永久磁鐵的鋼環(huán)，為了防止腐蝕，其上鍍有鎳合金。定子由鋁合金制成，上面繞有密實(shí)的多極線(xiàn)圈。水冷卻通道直接加工在定子體上，通過(guò)循環(huán)水帶走電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量。

基于力矩伺服電機(jī)的數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)如圖1。

這種由力矩電機(jī)構(gòu)成的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)具有如下特點(diǎn)：電機(jī)轉(zhuǎn)子直接構(gòu)成旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)面，定子構(gòu)成旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)基座，消除了如齒輪傳動(dòng)系等產(chǎn)生的間隙誤差，屬“零傳動(dòng)”進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，因而能得到高的動(dòng)態(tài)性能和定位精度，也無(wú)需機(jī)械維護(hù)，結(jié)構(gòu)緊湊。

機(jī)床通電后，回轉(zhuǎn)臺(tái)不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過(guò)液壓鎖緊。液壓油通過(guò)液壓油孔進(jìn)入橡膠膨脹圈擠壓彈性銅脹圈，使其抱緊力矩伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子。需要旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)，液壓油泄壓，彈性銅脹圈復(fù)位，定子線(xiàn)圈上電，回轉(zhuǎn)臺(tái)即可自由旋轉(zhuǎn)。

4 故障分析及維修過(guò)程

機(jī)床上電后，數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)“回轉(zhuǎn)臺(tái)液壓鎖緊錯(cuò)誤”報(bào)警信息，該數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)在不旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，系統(tǒng)施加一個(gè)9MPa液壓壓力，鎖緊回轉(zhuǎn)臺(tái)。通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)該壓力的傳感器沒(méi)有壓力信號(hào)。打開(kāi)回轉(zhuǎn)臺(tái)側(cè)面維修窗，發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)臺(tái)底部有液壓油溢出，故判斷數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)O型圈或者橡膠膨脹圈有損壞現(xiàn)象，需要分解數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)。

4.1 回轉(zhuǎn)臺(tái)的分解

首先拆下固定編碼器外環(huán)的安裝座，抽出編碼器信號(hào)電纜。然后打開(kāi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面觀察孔，轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)，通過(guò)觀察孔依次拆下20個(gè)M12的內(nèi)六角螺釘和兩個(gè)定位銷(xiāo)，這樣工作臺(tái)臺(tái)面也就是回轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)子連同軸承以及軸承安裝座、液壓鎖緊裝置以及編碼器一起可以從回轉(zhuǎn)臺(tái)的本體中吊出來(lái)。在起吊過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)子磁鋼片屬于強(qiáng)磁體，很容易吸附在定子上，造成磁鋼片和定子的損壞，所以在起吊之前，找一個(gè)外圓40mm的檢驗(yàn)棒插入定位孔中，就很容易安全的吊出轉(zhuǎn)子。

4.2 故障原因分析

轉(zhuǎn)子和定子分離后，就能看到轉(zhuǎn)子上的液壓鎖緊系統(tǒng)，把拆下的轉(zhuǎn)子頂面朝下放置，拆下鎖緊液壓橡膠膨脹圈，發(fā)現(xiàn)在這個(gè)橡膠膨脹圈上有2個(gè)裂紋，液壓油就是從這里泄露出來(lái)的。造成這個(gè)橡膠膨脹圈產(chǎn)生裂紋的原因是：在這個(gè)橡膠圈和彈性銅套之間有一個(gè)抗壓硬塑料圈，其接頭不是重合的，有一段大約20mm的間隙，且接頭邊緣上有尖邊，每次液壓鎖緊時(shí)，塑料圈接頭就會(huì)擠壓橡膠膨脹圈，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間多次擠壓以及橡膠圈的老化，膨脹圈在該處就產(chǎn)生裂紋，造成液壓油泄露從而鎖緊壓力繼電器報(bào)警。

4.3 處理方法

把抗壓硬塑料圈接頭的尖邊修成圓弧形，更換新的橡膠膨脹圈以及O型圈，然后把液壓鎖緊裝置裝回到軸承支承座上，同時(shí)調(diào)整好彈性銅套和轉(zhuǎn)子之間的間隙。

4.4 數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)的安裝

在安裝之前，檢查工作臺(tái)本體上的O型圈，必要時(shí)更換，然后把直徑40mm的檢驗(yàn)棒插入工作臺(tái)本體下面的定位孔中，轉(zhuǎn)子沿著檢驗(yàn)棒慢慢落入工作臺(tái)本體，在下落到工作臺(tái)本體底部之前輕微轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，找到定位銷(xiāo)孔，插入定位銷(xiāo)，然后落實(shí)轉(zhuǎn)子并依次擰緊20個(gè)M12的螺釘。在安裝完所有機(jī)械零部件后，接著就需要調(diào)整編碼器外環(huán)和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，因?yàn)闉榱说玫阶罴训碾姍C(jī)出力效果，即讓力矩伺服電機(jī)的定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)始終正交于轉(zhuǎn)子永磁場(chǎng)，達(dá)到矢量控制的目標(biāo)，所以必須確定編碼器外環(huán)（電機(jī)定子）和里環(huán)（電機(jī)轉(zhuǎn)子）的相對(duì)位置。步驟如下：首先把電機(jī)定子繞組U相接到一個(gè)電流小于電機(jī)額定電流的直流電源正極，VW相并聯(lián)接入直流電源的負(fù)極，電機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)到一個(gè)平衡位置，此時(shí)用示波器觀察編碼器的Z信號(hào)，慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器的外環(huán)，當(dāng)編碼器的Z信號(hào)由低電平跳到高電平的時(shí)候，鎖緊編碼器外環(huán)安裝座，編碼器調(diào)零完成。在完成編碼器調(diào)零工作后，接著連接編碼器電纜和電機(jī)定子繞組接線(xiàn)以及數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)外部油管及冷卻水管，上電啟動(dòng)機(jī)床，操作數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)，液壓鎖緊正常。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于力矩伺服電機(jī)的數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)在進(jìn)口數(shù)控設(shè)備上應(yīng)用較多，國(guó)產(chǎn)數(shù)控設(shè)備很少使用。由于各種原因，機(jī)床廠(chǎng)家很少提供這方面的資料，本文所介紹的力矩?cái)?shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)和維修實(shí)例，是本人在實(shí)際工作中親身經(jīng)歷的，希望對(duì)我國(guó)機(jī)床行業(yè)的發(fā)展以及用戶(hù)有所幫助。