旋转工作台的制作方法

1.本发明涉及一种旋转工作台，具体涉及一种高精度数控旋转工作台。


背景技术：

2.目前，常见旋转工作台的设计方案分为三种，分别是直驱力矩电机方案、蜗轮副减速方案以及齿轮减速方案，以下就三种方案进行具体说明：
3.1】直驱电机方案
4.作为直驱电机的代表：西门子直驱力矩电机的位置控制一般采用高精度圆光栅进行全闭环反馈，台面支撑采用进口台面轴承，虽然精度有保证，但外购件成本很高，而且电机直接面对工作台和工件惯量，其惯量不易匹配，机电耦合系统易失稳，不同负载惯量需要电气多套参数匹配。
5.2】蜗轮副减速方案
6.该方案的优点是由于其减速比较大，负载惯量对电机影响较小，但传动效率低，一般只有60％，且易产生热变形，制造难度大，此外，因蜗杆圆周线速度不能超过5m/sec，小直径蜗杆驱动刚度不够，大直径蜗杆无法达到较高输出转速要求。另外，单蜗轮副结构不能消除传动背隙，而要消除传动背隙是就要采用复杂的双蜗轮结构，制造难度和成本都比较高。
7.3】渐开线齿轮减速方案
8.经过修形设计和精密磨削的硬齿面渐开线齿轮具有精度高，传动效率高，对中心距精度要求不敏感，能适应高、中、低不同转速要求等优点，被各种传动机构广泛应用。但缺点是单一传动元件由于制造误差等原因，也无法做到无背隙传动，而一般采用一个单齿轮和两个具有切向拉簧消隙齿轮啮合的方案，消隙转矩有限，不能承载大的转矩负载。


技术实现要素：

9.为了解决以上技术方案中的成本、传动效率、传动背隙等问题，本发明提出了一种使用精密行星齿轮减速器的转台。
10.本发明的具体技术解决方案如下：
11.该旋转工作台包括电机、转台基座、转台面、设置于转台基座内的行星轮减速器，所述行星轮减速器包括内齿壳以及沿内齿壳轴向依次设置的一个高速级行星齿轮减速机构、n个中速级行星齿轮减速机构和一个低速级行星齿轮减速机构，n≥0，高速级、中速级、低速级行星齿轮减速机构均包括太阳轮、行星轮、行星架以及行星轴；所述转台面与低速级行星架固定连接，电机通过行星轮减速器将动力传输至转台面；
12.所述低速级行星架上设置有用于测量输出转速的转速测量单元，转速测量单元用于将低速级行星架的实时位置回传至电机控制单元，电机控制单元根据实时位置调整电机的输出。
13.进一步地，所述转速测量单元包括与低速级行星架固定连接的磁栅盘，通过接触读取磁栅盘位置的读数头，用于将读数头读取的信息进行传输的电缆。
14.进一步地，所述行星轮减速器采用无反向间隙的行星齿轮机构。
15.进一步地，所述内齿壳与转台基座为一体件。
16.进一步地，所述高速级行星齿轮减速机构的高速级太阳轮与电机输出轴固定连接，高速级太阳轮与高速级行星轮啮合，高速级行星轮与高速级行星架通过高速级行星轴连接，高速级行星架固定套接于相邻的下一级中速级行星齿轮减速机构的中速级太阳轮上；中速级太阳轮为分段式结构，所述分段式结构包括驱动段和传递段，驱动段与上一级减速机构的行星架套接，传递段与相邻的下一级减速机构的行星轮啮合；重复所述结构直至与低速级行星齿轮减速机构的低速级太阳轮啮合。
17.进一步地，所述电机的输出轴通过联轴套与高速级行星齿轮减速机构的太阳轮连接，高速级行星齿轮减速机构的太阳轮通过销轴的过盈配合将其固定在联轴套上。
18.进一步地，所述中速级太阳轮的驱动段和传递段均为齿轮结构，驱动段的齿高小于传递段的齿高，驱动段齿轮与上一级减速机构的行星架啮合并通过键固定实现套接，上一级行星架的端面与当前级太阳轮上的传递段外齿端面接触，并同时与当前级行星轮端面形成微间隙。
19.进一步地，所述低速级行星架与内齿壳之间设置有n列滚珠及n列滚道，n为自然数，且n≥1；所述滚道截面包括至少一段与所述截面圆心不重合的圆弧；所述滚道由设置在内齿壳上的外圈内滚道和设置在行星架上的内圈外滚道组成。
20.进一步地，所述高速级行星齿轮减速机构、中速级行星齿轮减速机构或低速级行星齿轮减速机构行星架与行星轮之间均通过行星轴连接，行星轴与行星轮之间设置有多点接触式滚珠轴承。
21.进一步地，所述低速级行星架与内齿壳之间设置有n列滚珠及n列滚道，n为自然数，且n≥2；所述n为2时，第一轴承滚道包含四段与截面圆心不重合的圆弧，每段占截面周长的1/4；第二轴承滚道包含四段与截面圆心不重合的圆弧，每段占截面周长的1/4；第一轴承滚道的圆弧和第二滚道的圆弧相同；或所述n为2时，第一轴承滚道包含两段异心的圆弧，每段占截面周长的1/2；第二轴承滚道包含两段异心的圆弧，每段占截面周长的1/2；第一轴承滚道的圆弧和第二滚道的圆弧镜像设置；或所述n为3时，第一轴承滚道包含一段与截面圆心不重合的圆弧，占截面周长的1/4；第三轴承滚道包含一段与截面圆心不重合的圆弧，占截面周长的1/4；第二轴承滚道包含两段异心的圆弧，占截面周长的1/2；第一轴承滚道的圆弧和第三滚道的圆弧镜像设置。
22.进一步地，所述低速级行星架与转台面之间设置有用于使低速级行星架与转台面共轴的轴套，轴套与低速级行星架过盈配合。
23.进一步地，所述转台面上设置有t型槽。
24.进一步地，所述高速级行星齿轮减速机构的行星轮通过输入电机与高速级太阳轮过盈连接的部分进行轴向定位；所述中速级行星齿轮减速机构的行星轴与行星架上的行星轴安装孔为过盈配合，上一级行星架的端面与当前级太阳轮上的传递段外齿端面接触，互相提供轴向定位；所述中速级行星齿轮减速机构的行星轮和行星架相互接触实现轴向定位。
25.进一步地，所述低速级行星架的轴向定位由n列滚珠及n列滚道提供。
26.本发明的优点在于：
27.1、本发明提供的旋转工作台采用精密行星齿轮减速，比起直驱电机方案传动刚性高、负载惯量适应性强；比蜗轮副方案效率高，功率密度大。
28.2、本发明提供的旋转工作台优选方案中，采用了自制输出端多点接触滚珠轴承方式，采用多点接触式球轴承的结构，相比现有行星轮轴承采用的圆柱滚针轴承的制造精度更高，承载能力、刚度更强和传动精度更高；同时多点接触式球轴承结构可以做预加负荷，消除轴承游隙，从而减少了减速器的反向间隙。
29.3、本发明提供的旋转工作台优选方案中，减速器通过采用电机和行星减速器之间的连接结构(联轴套)对第一级行星齿轮减速机构的行星轮进行轴向定位、当前级行星架对行星轮轴承进行轴向定位、上一级行星架通过下一级太阳轮的传递段轴向定位，同时同一级行星轮和行星架直接接触实现相互轴向定位，与现有减速器结构相比，本发明的结构不仅缩短了行星齿轮减速器的整体轴向尺寸，同时也减少了零件特征与数量，降低制造成本。
30.4、本发明提供的旋转工作台优选方案中，在相邻两级行星齿轮减速机构中上一级行星架的端面与当前级行星轮端面形成微间隙，可在承担轴向定位功能的同时，给油脂留出空间，使得接触面之间建立油膜，提高润滑，降低磨损；同时也增加了制造容差，降低了制造难度。
31.5、本发明提供的旋转工作台优选方案中，提供了无反向间隙的行星齿轮机构的选择，使得旋转工作台能够达到消隙结果，从而可以使用全闭环控制反馈而不担心震荡问题。
32.6、本发明采用各级行星齿轮减速机构共用一个内齿壳，并且各级行星轮同模数设计，从而使得各级行星机构中行星轮的宽度尺寸可变薄，进一步地减小了减速器的轴向尺寸。
附图说明
33.图1为本发明结构剖视图；
34.图2为本发明结构左视图；
35.图3为不带浅槽的行星轮轴承示意图；
36.图4为带浅槽的行星轮轴承示意图；
37.附图明细如下：
38.11-电机，13-中速级行星齿轮减速机构，14-低速级行星齿轮减速机构，15-高速级行星齿轮减速机构，16-磁栅盘，17为读数头，18-转台面，19-行星齿轮减速器内齿壳，20-转台基座，21-轴套，22-滚珠，23-多点多列接触式滚珠，26-电机输出轴，27-联轴套，28销轴；141-高速级太阳轮，151-输出法兰(低速级行星架)，202-低速级行星轮，204-低速级行星轴，207-低速级行星轮内孔。
具体实施方式
39.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
40.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以
采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
41.同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接：同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.如图1所示：
44.该旋转工作台包括电机11、转台基座20、转台面18、设置于转台基座20内的行星轮减速器，电机11与转台基座20连接，转台面18与低速级行星架固定连接，电机11通过行星轮减速器将动力传输至转台面18。
45.其中，行星轮减速器包括内齿壳19以及沿内齿壳19轴向依次设置的一个高速级行星齿轮减速机构15、n个中速级行星齿轮减速机构13和一个低速级行星齿轮减速机构14，
46.在实践过程中，可以根据减速比以及承重情况选择中速级行星齿轮减速机构13的数量，
47.在本实施例中，选择n＝1，即一个高速级、一个中速级和一个低速级行星齿轮减速机构，前述各级行星齿轮减速机构均包括太阳轮、行星轮、行星架以及行星轴。
48.考虑到实际应用时，可以优选行星轮减速器的具体结构为无反向间隙的行星齿轮机构，这一机构在201810790333.7中已经公开，该结构通过消除齿轮啮合中的侧隙以及轴承游隙，可以减少或彻底消除行星齿轮传动装置的反向间隙，大大提高了行星减速机构的精密性，并且该结构并不增加任何其他零部件，这极大地减小了旋转工作台的重量及体积。
49.另外，低速级行星架上设置有用于测量输出转速的转速测量单元，转速测量单元用于将低速级行星架的实时位置回传至电机控制单元，电机控制单元根据实时位置调整电机11的输出。从优选角度考虑，转速测量单元包括与低速级行星架固定连接的磁栅盘16，通过接触读取磁栅盘16位置的读数头17，用于将读数头17读取的信息进行传输的电缆。具体可以通过读数头17得到的数据通过电缆传递回cnc或驱动器进行全闭环控制。
50.作为在本实施例中采用的另一优选方案，行星轮减速器内齿壳19与转台基座20之间的连接可以通过螺钉固连，而行星减速器高速级太阳轮与电机11输出轴通过联轴套27固连。当然，也可以选择将行星轮减速器内齿壳与转台基座20制作为一体件，该方式虽然也能够使用，但在实践中会提高加工成本，并提高装配难度。
51.此外，销轴一方面堵住减速器内部的润滑油防止其泄露，另一方面与行星减速器高速级太阳轮过盈连接，将行星减速器高速级太阳轮的内孔撑大，从而辅助行星减速器高速级太阳轮与联轴套27的过盈连接。
52.而在输出端的连接上，也可以采用类似结构，在本实施例中轴套与行星减速器低速级行星架进行过盈配合，一方面堵住减速器内部的润滑油防止其泄露至转台，另一方面
起到了辅助行星减速器低速级行星架和转台面共轴的作用。
53.以下再从具体各部件的连接关系上进一步阐述：
54.高速级行星齿轮减速机构的高速级太阳轮与电机输出轴26固定连接，高速级太阳轮与高速级行星轮啮合，高速级行星轮与高速级行星架通过高速级行星轴连接，高速级行星架固定套接于相邻的下一级中速级行星齿轮减速机构13的中速级太阳轮上；
55.中速级太阳轮采用分段式结构，分段式结构包括驱动段和传递段，驱动段与上一级减速机构的行星架套接，传递段与相邻的下一级减速机构的行星轮啮合；重复所述结构直至与低速级行星齿轮减速机构14的低速级太阳轮啮合。
56.中速级太阳轮的驱动段和传递段均为齿轮结构，驱动段的齿高小于传递段的齿高，驱动段齿轮与上一级减速机构的行星架啮合并通过键固定实现套接，上一级行星架的端面与当前级太阳轮上的传递段外齿端面接触，并同时与当前级行星轮端面形成微间隙。
57.考虑到多方向受力以及合理卸力的工况，可以在低速级行星架与内齿壳之间设置有n列滚珠及n列滚道，n为自然数，且n≥1；本实施例中选择单列进行说明，即n＝1。其中滚道截面包括至少一段与所述截面圆心不重合的圆弧；滚道由设置在内齿壳上的外圈内滚道和设置在行星架上的内圈外滚道组成。
58.当然，也可以选择n≥2的其它结构形式，例如：当n为2时，第一轴承滚道包含四段与截面圆心不重合的圆弧，每段占截面周长的1/4；第二轴承滚道包含四段与截面圆心不重合的圆弧，每段占截面周长的1/4；第一轴承滚道的圆弧和第二滚道的圆弧相同；
59.或当n为2时，第一轴承滚道包含两段异心的圆弧，每段占截面周长的1/2；第二轴承滚道包含两段异心的圆弧，每段占截面周长的1/2；第一轴承滚道的圆弧和第二滚道的圆弧镜像设置；
60.或当n为3时，第一轴承滚道包含一段与截面圆心不重合的圆弧，占截面周长的1/4；第三轴承滚道包含一段与截面圆心不重合的圆弧，占截面周长的1/4；第二轴承滚道包含两段异心的圆弧，占截面周长的1/2；第一轴承滚道的圆弧和第三滚道的圆弧镜像设置。
61.同样的，考虑到多方向受力以及合理卸力的工况，高速级行星齿轮减速机构15、中速级行星齿轮减速机构13或低速级行星齿轮减速机构14行星架与行星轮之间均通过行星轴连接，行星轴与行星轮之间设置有多列多点接触式滚珠23。
62.以低速级行星齿轮减速机构14中设置三点接触式滚珠轴承为例，如图1和图3所示，低速级行星轴204位于低速级行星轮轴承安装孔207内的外表面沿轴向并排开设s条第一内圈外滚道2041，s≥2，每条第一内圈外滚道2041与低速级行星轮轴承安装孔207的孔壁之间沿圆周方向设置有多个第一钢珠400；每相邻两条第一内圈外滚道2041中安装的第一钢珠400在圆周方向错位布置，从而构成了n级行星齿轮减速机构的行星轮轴承；低速级行星轮轴承安装孔207靠近行星架的一侧设有向内突起的圆弧形沟道2042，用于对第一钢珠400进行轴向定位。
63.为了第一钢球400的定位更加可靠，如图1和图4所示，本实施例中还在低速级行星轮轴承安装孔207内壁上开设了s条浅槽2071，s条浅槽2071与s条第一内圈外滚道2041一一对应，第一内圈外滚道2041由异心设置的两条圆弧构成，分别记为第五圆弧和第六圆弧，第一钢珠400分别与两条圆弧点接触，并与所述浅槽2071相接触，从而构成更为可靠的三点接触式球轴承结构。
64.转台面上设置有t型槽。
65.基于上述结构，由于各级行星齿轮减速机构之间并无任何硬连接，即采用螺栓等固定连接机构，且增加相关的机构会极大地增加转台的体积及重量，因此，需要依靠各部件之间的相互配合关系来实现轴向定位。其中，高速级行星齿轮减速机构的行星轮通过输入电机与高速级太阳轮过盈连接的部分进行轴向定位；所述中速级行星齿轮减速机构13的行星轴与行星架上的行星轴安装孔为过盈配合，上一级行星架的端面与当前级太阳轮上的传递段外齿端面接触，互相提供轴向定位；中速级行星齿轮减速机构13的行星轮和行星架相互接触实现轴向定位。而低速级行星架的轴向定位由n列滚珠及n列滚道提供。