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基于力矩伺服电机的数控回转台原理及维修对策

发布时间:2018-04-17
徐绪浩
(中国航发沈阳发动机研究所)
  摘 要:数控回转台一般是由伺服电机通过涡轮蜗杆驱动工作台,其结构简单,但存在着反应慢,精度低、扭矩小的缺陷。随着数控机床行业的高速发展,基于力矩伺服电机的数控回转台的应用越来越多,但其结构复杂,维修难度大等制约着大批用户。文章从力矩伺服电机的数控回转台工作原理及结构入手,对出现的故障进行分析并给出了维修对策。
  关键词:力矩伺服电机;数控回转台;原理及维修
  1 概述
  随着我国工业的高速发展和国防建设的需要,高精度、多轴联动的数控机床在各种加工行业中越来越普及,占有率越来越高。这种数控机床由绕直线轴X、Y、Z旋转运动的旋转轴和直线轴一起构成多轴联动的加工中心,可以加工出各种复杂的零件。普通的旋转轴一般都是由伺服电机、涡轮蜗杆减速机构、定位锁死系统等构成,共有两种基本类别:一种是工作台回转轴,另一种则是依靠主轴头回转。本文只讨论工作台回转轴。
  2 普通数控回转台的基本结构
  工作台回转轴也叫数控回转台,早期的数控回转台主要由伺服电机通过减速齿轮及蜗轮蜗杆带动工作台回转,工作台的回转位置用编码器测量。测量结果发出反馈信号与数控装置发出的指令信号比较,若有偏差经放大器控制交流伺服电机朝消除偏差方向转动,使工作台精确运动或定位。当工作台静止时,必须处于锁紧状态。工作台面的锁紧用液压缸来完成,当控制系统发出夹紧指令时,液压缸上腔进油,活塞下移,带动夹紧装置,从而把蜗轮夹紧。当工作台回转时,控制系统发出指令,液压缸上腔的压力油回油箱,在弹簧的作用下,夹紧装置松开,不再夹紧蜗轮。然后按数控系统的指令,由交流伺服电机,通过传动装置实现工作台的分度转位、定位、夹紧或连续回转运动。
  3 基于力矩伺服电机数控回转台的基本结构和功能
  力矩电机类似于直线电机,是一种基于同步驱动技术的直接驱动器。它由定子、转子、水冷却系统等组成。转子为一镶有永久磁铁的钢环,为了防止腐蚀,其上镀有镍合金。定子由铝合金制成,上面绕有密实的多极线圈。水冷却通道直接加工在定子体上,通过循环水带走电机运转产生的热量。
  基于力矩伺服电机的数控回转台的基本结构如图1。
  这种由力矩电机构成的回转工作台具有如下特点:电机转子直接构成旋转工作台面,定子构成旋转工作台基座,消除了如齿轮传动系等产生的间隙误差,属“零传动”进给驱动,因而能得到高的动态性能和定位精度,也无需机械维护,结构紧凑。
  机床通电后,回转台不转动时通过液压锁紧。液压油通过液压油孔进入橡胶膨胀圈挤压弹性铜胀圈,使其抱紧力矩伺服电机转子。需要旋转回转台时,液压油泄压,弹性铜胀圈复位,定子线圈上电,回转台即可自由旋转。
  4 故障分析及维修过程
  机床上电后,数控系统出现“回转台液压锁紧错误”报警信息,该数控回转台在不旋转的状态下,系统施加一个9MPa液压压力,锁紧回转台。通过检查发现,检测该压力的传感器没有压力信号。打开回转台侧面维修窗,发现回转台底部有液压油溢出,故判断数控回转台O型圈或者橡胶膨胀圈有损坏现象,需要分解数控回转台。
  4.1回转台的分解
  首先拆下固定编码器外环的安装座,抽出编码器信号电缆。然后打开旋转台台面观察孔,转动工作台,通过观察孔依次拆下20个M12的内六角螺钉和两个定位销,这样工作台台面也就是回转台的转子连同轴承以及轴承安装座、液压锁紧装置以及编码器一起可以从回转台的本体中吊出来。在起吊过程中,由于转子磁钢片属于强磁体,很容易吸附在定子上,造成磁钢片和定子的损坏,所以在起吊之前,找一个外圆40mm的检验棒插入定位孔中,就很容易安全的吊出转子。
  4.2故障原因分析
  转子和定子分离后,就能看到转子上的液压锁紧系统,把拆下的转子顶面朝下放置,拆下锁紧液压橡胶膨胀圈,发现在这个橡胶膨胀圈上有2个裂纹,液压油就是从这里泄露出来的。造成这个橡胶膨胀圈产生裂纹的原因是:在这个橡胶圈和弹性铜套之间有一个抗压硬塑料圈,其接头不是重合的,有一段大约20mm的间隙,且接头边缘上有尖边,每次液压锁紧时,塑料圈接头就会挤压橡胶膨胀圈,经过长时间多次挤压以及橡胶圈的老化,膨胀圈在该处就产生裂纹,造成液压油泄露从而锁紧压力继电器报警。
  4.3处理方法
  把抗压硬塑料圈接头的尖边修成圆弧形,更换新的橡胶膨胀圈以及O型圈,然后把液压锁紧装置装回到轴承支承座上,同时调整好弹性铜套和转子之间的间隙。
  4.4数控回转台的安装
  在安装之前,检查工作台本体上的O型圈,必要时更换,然后把直径40mm的检验棒插入工作台本体下面的定位孔中,转子沿着检验棒慢慢落入工作台本体,在下落到工作台本体底部之前轻微转动转子,找到定位销孔,插入定位销,然后落实转子并依次拧紧20个M12的螺钉。在安装完所有机械零部件后,接着就需要调整编码器外环和转子的相对位置,因为为了得到最佳的电机出力效果,即让力矩伺服电机的定子绕组产生的磁场始终正交于转子永磁场,达到矢量控制的目标,所以必须确定编码器外环(电机定子)和里环(电机转子)的相对位置。步骤如下:首先把电机定子绕组U相接到一个电流小于电机额定电流的直流电源正极,VW相并联接入直流电源的负极,电机转子会转到一个平衡位置,此时用示波器观察编码器的Z信号,慢慢转动编码器的外环,当编码器的Z信号由低电平跳到高电平的时候,锁紧编码器外环安装座,编码器调零完成。在完成编码器调零工作后,接着连接编码器电缆和电机定子绕组接线以及数控回转台外部油管及冷却水管,上电启动机床,操作数控回转台,液压锁紧正常。
  5 结束语
  基于力矩伺服电机的数控回转台在进口数控设备上应用较多,国产数控设备很少使用。由于各种原因,机床厂家很少提供这方面的资料,本文所介绍的力矩数控回转台的基本结构和维修实例,是本人在实际工作中亲身经历的,希望对我国机床行业的发展以及用户有所帮助。
来源:《科技创新与应用》2017年16期

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