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摘要：直驱式数控转台主轴可以有效提升加工产品质量水平，尤其对加工效率及精度有着重要意义。本文对自主开发直驱式数控转台主轴的结构及原理进行分析，希望借此机会构建直驱式数控转台主轴的高效铣削模型。在材料力学以及机械设计的分析方法上，对直驱式数控转台主轴的受力形式以及零件材料的不同，运用相应强度及刚度进行相互校核及计算，以此做到有限元的正确对比及验算。
Abstract： Direct-drive CNC turntable spindle can effectively improve the quality of processed products， especially for processing efficiency and accuracy. This article analyzes the structure and principle of the self-developed direct-drive CNC turntable spindle， hoping to take this opportunity to build an efficient milling model of the direct-drive CNC turntable spindle. In the analysis methods of material mechanics and mechanical design， the force form of the direct-drive CNC turntable spindle and the difference of the parts materials are checked and calculated with the corresponding strength and stiffness to achieve the correct comparison of the finite element. And checking.
關键词：直驱式数控;转台主轴;静态特性;方法
Key words： direct-drive numerical control;turntable spindle;static characteristics;method
中图分类号：TG519.1 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0109-02
0 引言
随着社会经济的快速发展，对制造业的要求也提出了更高的要求。高速铣削加工技术也在各制造行业，如汽车、模型、航天等各个制造行业里广泛使用，尤其是在对一些容易变形的加工材料更是被广泛使用。因需要在加工中心进行高速铣削加做到工件铣削质量的提升。所以，在直驱式数控转台主轴工件质量的功能性质与其制造精度有着不分割的影响。这是数控转台主轴中非常重要的因素之一，对于其设计的准确度以及性能表现直接可以从其加工工件的表层就可以体现出来，继而会对加工中心工件性能及质量带来不可忽视的影响。在数控转台主轴的静态特性设计方法的不断改进及制造过程中，直驱式技术也得到了更进一步的发展，它完全解决了以往数控转台的形式操作，实现了传统科技的改革，加强其数控转台的更加精准的数据信息，同时有效结合编码器对电机转角的反馈功能进行更合理控制，以此可以实现更高精度的转速及扭矩的加工转速。
1 直驱式数控转台主轴静态特性的简介及其主轴结构分析
在数控转台设计方法的不断优化改进中，直驱式数控转台主轴静态技术也得到了进一步的发展。但因以往数控转台传动形式较为复杂，使之无法对加工技术精度做到真正的突破。直驱式数控转台主轴运行的过程中，编码器的电机转角可以实现准确的信息数据，以此做到更加高精准度转速的加工扭矩，同时有效构建了高速削切模型，通过其有效结构实现相应的计算方法，应对其刚度进行有效的校核，并结合有限元分析软件对直驱式数控转台主轴的静态特性做出有效分析，明确验算其刚度及强度。
1.1 直驱式数控转台主轴简介 直驱式数控转台主轴包括轴承安装轴段、工作台面轴段等轴段通过螺栓进行固定连接。将其力矩电机于编码器在转台主轴上进行有效的安装，并在底座安装液压刹车并将其有效固定，实现数控转台的正常运行功能，并将其生成的扭转力，确保将轴承安装轴段以及相互固定连接的部位做到有效旋转。与此同时，可以准确估算出，编码器正确估值，并将其工件准确安装在工作台面上，实现相应刀具的有效高速铣削工作。
1.2 结构分析 直驱式数控转台主轴是通过轴承安装轴段、工作台面轴段之间的相邻零件的螺栓固定连接，并通过相互的配合实现过渡工作，实现刚度以及轴度的有效运行。但在实际过程中，因转台主轴需要对安装零件进行加工，并在遇到运行过程中，并在运行过程中，出现相互磨损的情况发生，使之产生了过渡的损耗，需要对其铸铁进行相应调整，使之安装轴段的钢制进行有效的调整，以此提升其韧性及强度[2]。
1.3 直驱式数控转台主轴轴承的选型与校核 在直驱式数控转台主轴中，轴承是非常重要的组成部分，它与直驱式数控转台的使用寿命有着非常重要的密切关系。在直驱式数控转台主轴中需要将其设计性能指标设定工作台面跳动应急轴向力的做大承重的都是需要有转台女轴承来进行控制的。该过程需要将直驱式数控转台结构原理先进行一个充分分析，在运行过程中会需要承受来自各个方向的作用力，因此，这种轴承在我国各个轴承生产企业都有研发生产，在各企业选择使用轴承过程中，需要选择国家认证的厂家，这对轴承的使用寿命来说是非常重要的。不仅如此，在轴承当中还有一个外圈以及圆柱滚子等配件，这对轴承的预载状况来说是不可缺少的关键部分。在中心径向部分会有保持架以及两排滚珠，在外圈还包括定向轴圈以及L性轴圈，其中轴承是由螺栓固定而成的这样可以确保在搬运过程中，以及在安装运输中的稳定安全性[3]。再有，轴承的主要性能特点是它具有高精度的联合载荷能力，可以在运行时承受各个方向带来的压力，其中包括双薪轴向载荷、倾覆力矩等等。除此之外，在进行一些高要求的轴承安设时，例如。旋转桌台、旋转花盆等等。都需要在轴承套圈上需要在安装套圈上面打上孔洞这样可以为后续的安装打下良好的基础。将编码器与直驱式数控转台进行有效连接，可以实现对各个部件的反馈情况，其性能的好坏直接影响着数控转台的精确度，该过程需要通过编码器实现数据以及信号等功能部件的设置，这样可以实现对各个通讯信号的有效传输，便于与各机械设备有效连接。可以将多种数据转变为各个有效的传输数据，为工作人员提供便利的管理条件。与此同时，根据工作原理可以分成多种方式进行，如磁电式、光电式等等。都可以通过一定精度实现准确的数据限制，但同时也需要配合更高的安装要求。相对于磁电式来说，不需要占据太大的空间，可以很好地适用各种环境，但是却不能提供高精准使用数据，这与安装技术以及其方式精准度有着非常重要的关系。对于电容式来说，在进行安装时相对便利，并且对各个配件零件要求标准并不高，但是在一定的精度上，确是往往不够的，通常在终端市场被广泛应用。需要注意的是，编码器也是有许多类别的，一般被分为增量型以及绝对值型。在有效应用增量值编码器过程中每一次的设备的启动，需要对其进行设置回零处理工序，但是有效应用绝对值编码器时则不要进行回零处理，可以在首次使用时就可以记住各个使用机械的位置，并对其可以自动化进行有效识别，准确无误地回到之前设置的位置中来，为工作以及维修人员，提供了高效便利，不需要工作人员再进行回零操作[3]。 2 铣削模型分析
2.1 铣削模型设计要求 在设计过程中，需要注意超精密度电主轴的精确设计，进行高速环形铣削作为超高精密高光加工。其中电主轴额定功率为4kW，最高可转速20 000r/min，额定扭矩为4N·m，圆柱立铣刀直径20.5mm，并通过加工手册以及产品需要的设计要求，以此发挥高速铣削工艺的真正作用。
2.2 切削力的计算 在进行计算过程中，需要对其设计进行明确计算，以此准确设计出圆柱刀具的相应削数，并在其自身的中心轴周围进行高速刀具的有效旋转功能，并对其齿给量进行有效的宽度分析，并以此获得准确的数据。
3 直驱式数控转台主轴的强度计算
3.1 将载荷图简化成力学模型 为确保便于弯矩、剪力等计算分析，可根据材料力学以及理论力学等相关知识，并将各个力分解到主线轴上。该过程可将垂直作用运用到工作台面的轴段边缘处，这产生了扭转组合效应，在对其分剪力进行相应扭矩过程中，进行有效的台面计算，以此实现工作台面的轴段的有效处理，实现对边缘处弯曲轴段的有效判断，实现剪力的有效处理，其他可作为扭转处理。
3.2 强度校核 因是3个零件构成了主轴转台，这使各个零件材质会负载不同区别的负载，这会产生不同的强化校核理论。这当中工作台面轴段可作为轴铁件，所产生的受力形式是向两个方向拉伸的，这时可以进行查阅设计手册，字铸铁向两个方向进行拉伸时，其强度结果可以准确获得实验操作的正确分析。该过程需要多其工作台面轴段进行相应强度的有效计算，并在其一定的校对过程中，实现对力理论的实施验证，实现对转台轴面的有效处理，以此获得钢质的有效正确处理。不仅如此，根据其理论进行对受力弯扭组合的搭配，实现第四硬度的有效校核，在其安装过程中，实现对刚度调质的有效处理，并在其弯曲组合的实施力矩过程中，实现对第三硬度的理论的有效校对，转子安装轴段进行钢度的调质处理，受力为纯扭矩形式，并采用第三强度理论进行校核。将有关资料查询，钢的屈服极限可以达到σ23s=353MPa，灰铸铁HT350 的强度极限 σ23b=350MPa。转台轴段需要将其轴段的不同方向的轴段压力进行相应数据的调整，可以减轻工作台面各个轴段的危险操作点值，有效延长刚度的使用期限，使之强度足够。轴承安装轴段上危险截面最大应力远小于钢度极度限制，强度足够。转子安装轴段的危险实现其最大应力的过小值，钢度调质屈服极限值的最大强度[4]。
4 刚度计算
4.1 当量直径的计算 根据以往的机械设计对阶梯轴进行相应的直径计算，并对其阶梯的简化直径光轴进行有效处理分析，以此实现正确的简化直径计算，通过计算公式获得阶梯轴段的数据计算，并在其阶梯轴计算的过程中，能获得轴段的有效计算。在直驱式数控转台主轴静态特性获得有力支撑，其轴承分成左右两段悬臂梁，以此做到当量直径的两段进行计算。
4.2 直驱式数控转台主轴的有限元分析 直驱式数控转台主轴其结构性较为复杂，所以需准确解析相应模型。并通过有限元理论结合相应特点分析，并积极采用有限元进行分析软件会对直驱式数控转台主轴带来的有限元建模影响。并在直驱式数控转台主轴系统建模中进行必要简化。需要注意的是，需要忽略圆角及倒角的局部细节特征处理，并积极采用转台轴承实施开展有限元软件轴承约束，并对其轴的旋转参数，进行相应方向的优化调整，并根据直驱式数控状态主轴静态特性的虚伪原理，实施开展电机转子受力点固定的方法措施。
4.3 结果对比 针对于理论设计有限元的结果分析结果可以给出的结果表明，获得有限元分析结果的计算理论结果相吻合，其可作为两者之间的相互校核比对方法，并有效设计出直驱式数控转台主轴的静态以及强度的符合要求[5]。
5 总结
直驱式数控转台主轴的结构及原理，会以经典切削作为基础理论，构建高速铣削模型，并高速铣削切削力进行径向以及轴向的切向分力，以此实现直驱式数控转台主轴的结构设计，达到主轴零件材料的受力的不同形式。除此之外，强度理论的强度及刚度进行校核计算，并根据有限元理论基础有效利用有限元软件实施进行转台主轴静态特性分析。结果表明，该过程直驱式数控转台主轴可以满足静态及强度的要求，在实际应用中可以取得成功。
参考文献：
[1]罗义，高自成，李立君，等.直驱式数控转台主轴的静态特性分析[J].机床与液压，2019（08）：49-54.
[2]王远嵩，高自成，李立君，等.直驅式数控转台双面刹车机构的力学特性分析[J].机床与液压，2019（19）：66-70.
[3]崔文亮.关于数控设备维护和管理的探讨[J].内燃机与配件，2018（013）：184-185.
[4]李杨，张奎华，曹小波，等.基于Ansys/LS-Dyna的可靠性强化试验台仿真分析辅助设计[J].机械工程与技术，2020，009（006）：12.
[5]董宗哲.PLC自动控制系统的可靠性研究及设计方案分析[J].科技创新与品牌，2020（011）：70-71.
Abstract： Direct-drive CNC turntable spindle can effectively improve the quality of processed products， especially for processing efficiency and accuracy. This article analyzes the structure and principle of the self-developed direct-drive CNC turntable spindle， hoping to take this opportunity to build an efficient milling model of the direct-drive CNC turntable spindle. In the analysis methods of material mechanics and mechanical design， the force form of the direct-drive CNC turntable spindle and the difference of the parts materials are checked and calculated with the corresponding strength and stiffness to achieve the correct comparison of the finite element. And checking.
關键词：直驱式数控;转台主轴;静态特性;方法
Key words： direct-drive numerical control;turntable spindle;static characteristics;method
中图分类号：TG519.1 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0109-02
0 引言
随着社会经济的快速发展，对制造业的要求也提出了更高的要求。高速铣削加工技术也在各制造行业，如汽车、模型、航天等各个制造行业里广泛使用，尤其是在对一些容易变形的加工材料更是被广泛使用。因需要在加工中心进行高速铣削加做到工件铣削质量的提升。所以，在直驱式数控转台主轴工件质量的功能性质与其制造精度有着不分割的影响。这是数控转台主轴中非常重要的因素之一，对于其设计的准确度以及性能表现直接可以从其加工工件的表层就可以体现出来，继而会对加工中心工件性能及质量带来不可忽视的影响。在数控转台主轴的静态特性设计方法的不断改进及制造过程中，直驱式技术也得到了更进一步的发展，它完全解决了以往数控转台的形式操作，实现了传统科技的改革，加强其数控转台的更加精准的数据信息，同时有效结合编码器对电机转角的反馈功能进行更合理控制，以此可以实现更高精度的转速及扭矩的加工转速。
1 直驱式数控转台主轴静态特性的简介及其主轴结构分析
在数控转台设计方法的不断优化改进中，直驱式数控转台主轴静态技术也得到了进一步的发展。但因以往数控转台传动形式较为复杂，使之无法对加工技术精度做到真正的突破。直驱式数控转台主轴运行的过程中，编码器的电机转角可以实现准确的信息数据，以此做到更加高精准度转速的加工扭矩，同时有效构建了高速削切模型，通过其有效结构实现相应的计算方法，应对其刚度进行有效的校核，并结合有限元分析软件对直驱式数控转台主轴的静态特性做出有效分析，明确验算其刚度及强度。
1.1 直驱式数控转台主轴简介 直驱式数控转台主轴包括轴承安装轴段、工作台面轴段等轴段通过螺栓进行固定连接。将其力矩电机于编码器在转台主轴上进行有效的安装，并在底座安装液压刹车并将其有效固定，实现数控转台的正常运行功能，并将其生成的扭转力，确保将轴承安装轴段以及相互固定连接的部位做到有效旋转。与此同时，可以准确估算出，编码器正确估值，并将其工件准确安装在工作台面上，实现相应刀具的有效高速铣削工作。
1.2 结构分析 直驱式数控转台主轴是通过轴承安装轴段、工作台面轴段之间的相邻零件的螺栓固定连接，并通过相互的配合实现过渡工作，实现刚度以及轴度的有效运行。但在实际过程中，因转台主轴需要对安装零件进行加工，并在遇到运行过程中，并在运行过程中，出现相互磨损的情况发生，使之产生了过渡的损耗，需要对其铸铁进行相应调整，使之安装轴段的钢制进行有效的调整，以此提升其韧性及强度[2]。
1.3 直驱式数控转台主轴轴承的选型与校核 在直驱式数控转台主轴中，轴承是非常重要的组成部分，它与直驱式数控转台的使用寿命有着非常重要的密切关系。在直驱式数控转台主轴中需要将其设计性能指标设定工作台面跳动应急轴向力的做大承重的都是需要有转台女轴承来进行控制的。该过程需要将直驱式数控转台结构原理先进行一个充分分析，在运行过程中会需要承受来自各个方向的作用力，因此，这种轴承在我国各个轴承生产企业都有研发生产，在各企业选择使用轴承过程中，需要选择国家认证的厂家，这对轴承的使用寿命来说是非常重要的。不仅如此，在轴承当中还有一个外圈以及圆柱滚子等配件，这对轴承的预载状况来说是不可缺少的关键部分。在中心径向部分会有保持架以及两排滚珠，在外圈还包括定向轴圈以及L性轴圈，其中轴承是由螺栓固定而成的这样可以确保在搬运过程中，以及在安装运输中的稳定安全性[3]。再有，轴承的主要性能特点是它具有高精度的联合载荷能力，可以在运行时承受各个方向带来的压力，其中包括双薪轴向载荷、倾覆力矩等等。除此之外，在进行一些高要求的轴承安设时，例如。旋转桌台、旋转花盆等等。都需要在轴承套圈上需要在安装套圈上面打上孔洞这样可以为后续的安装打下良好的基础。将编码器与直驱式数控转台进行有效连接，可以实现对各个部件的反馈情况，其性能的好坏直接影响着数控转台的精确度，该过程需要通过编码器实现数据以及信号等功能部件的设置，这样可以实现对各个通讯信号的有效传输，便于与各机械设备有效连接。可以将多种数据转变为各个有效的传输数据，为工作人员提供便利的管理条件。与此同时，根据工作原理可以分成多种方式进行，如磁电式、光电式等等。都可以通过一定精度实现准确的数据限制，但同时也需要配合更高的安装要求。相对于磁电式来说，不需要占据太大的空间，可以很好地适用各种环境，但是却不能提供高精准使用数据，这与安装技术以及其方式精准度有着非常重要的关系。对于电容式来说，在进行安装时相对便利，并且对各个配件零件要求标准并不高，但是在一定的精度上，确是往往不够的，通常在终端市场被广泛应用。需要注意的是，编码器也是有许多类别的，一般被分为增量型以及绝对值型。在有效应用增量值编码器过程中每一次的设备的启动，需要对其进行设置回零处理工序，但是有效应用绝对值编码器时则不要进行回零处理，可以在首次使用时就可以记住各个使用机械的位置，并对其可以自动化进行有效识别，准确无误地回到之前设置的位置中来，为工作以及维修人员，提供了高效便利，不需要工作人员再进行回零操作[3]。 2 铣削模型分析
2.1 铣削模型设计要求 在设计过程中，需要注意超精密度电主轴的精确设计，进行高速环形铣削作为超高精密高光加工。其中电主轴额定功率为4kW，最高可转速20 000r/min，额定扭矩为4N·m，圆柱立铣刀直径20.5mm，并通过加工手册以及产品需要的设计要求，以此发挥高速铣削工艺的真正作用。
2.2 切削力的计算 在进行计算过程中，需要对其设计进行明确计算，以此准确设计出圆柱刀具的相应削数，并在其自身的中心轴周围进行高速刀具的有效旋转功能，并对其齿给量进行有效的宽度分析，并以此获得准确的数据。
3 直驱式数控转台主轴的强度计算
3.1 将载荷图简化成力学模型 为确保便于弯矩、剪力等计算分析，可根据材料力学以及理论力学等相关知识，并将各个力分解到主线轴上。该过程可将垂直作用运用到工作台面的轴段边缘处，这产生了扭转组合效应，在对其分剪力进行相应扭矩过程中，进行有效的台面计算，以此实现工作台面的轴段的有效处理，实现对边缘处弯曲轴段的有效判断，实现剪力的有效处理，其他可作为扭转处理。
3.2 强度校核 因是3个零件构成了主轴转台，这使各个零件材质会负载不同区别的负载，这会产生不同的强化校核理论。这当中工作台面轴段可作为轴铁件，所产生的受力形式是向两个方向拉伸的，这时可以进行查阅设计手册，字铸铁向两个方向进行拉伸时，其强度结果可以准确获得实验操作的正确分析。该过程需要多其工作台面轴段进行相应强度的有效计算，并在其一定的校对过程中，实现对力理论的实施验证，实现对转台轴面的有效处理，以此获得钢质的有效正确处理。不仅如此，根据其理论进行对受力弯扭组合的搭配，实现第四硬度的有效校核，在其安装过程中，实现对刚度调质的有效处理，并在其弯曲组合的实施力矩过程中，实现对第三硬度的理论的有效校对，转子安装轴段进行钢度的调质处理，受力为纯扭矩形式，并采用第三强度理论进行校核。将有关资料查询，钢的屈服极限可以达到σ23s=353MPa，灰铸铁HT350 的强度极限 σ23b=350MPa。转台轴段需要将其轴段的不同方向的轴段压力进行相应数据的调整，可以减轻工作台面各个轴段的危险操作点值，有效延长刚度的使用期限，使之强度足够。轴承安装轴段上危险截面最大应力远小于钢度极度限制，强度足够。转子安装轴段的危险实现其最大应力的过小值，钢度调质屈服极限值的最大强度[4]。
4 刚度计算
4.1 当量直径的计算 根据以往的机械设计对阶梯轴进行相应的直径计算，并对其阶梯的简化直径光轴进行有效处理分析，以此实现正确的简化直径计算，通过计算公式获得阶梯轴段的数据计算，并在其阶梯轴计算的过程中，能获得轴段的有效计算。在直驱式数控转台主轴静态特性获得有力支撑，其轴承分成左右两段悬臂梁，以此做到当量直径的两段进行计算。
4.2 直驱式数控转台主轴的有限元分析 直驱式数控转台主轴其结构性较为复杂，所以需准确解析相应模型。并通过有限元理论结合相应特点分析，并积极采用有限元进行分析软件会对直驱式数控转台主轴带来的有限元建模影响。并在直驱式数控转台主轴系统建模中进行必要简化。需要注意的是，需要忽略圆角及倒角的局部细节特征处理，并积极采用转台轴承实施开展有限元软件轴承约束，并对其轴的旋转参数，进行相应方向的优化调整，并根据直驱式数控状态主轴静态特性的虚伪原理，实施开展电机转子受力点固定的方法措施。
4.3 结果对比 针对于理论设计有限元的结果分析结果可以给出的结果表明，获得有限元分析结果的计算理论结果相吻合，其可作为两者之间的相互校核比对方法，并有效设计出直驱式数控转台主轴的静态以及强度的符合要求[5]。
5 总结
直驱式数控转台主轴的结构及原理，会以经典切削作为基础理论，构建高速铣削模型，并高速铣削切削力进行径向以及轴向的切向分力，以此实现直驱式数控转台主轴的结构设计，达到主轴零件材料的受力的不同形式。除此之外，强度理论的强度及刚度进行校核计算，并根据有限元理论基础有效利用有限元软件实施进行转台主轴静态特性分析。结果表明，该过程直驱式数控转台主轴可以满足静态及强度的要求，在实际应用中可以取得成功。
参考文献：
[1]罗义，高自成，李立君，等.直驱式数控转台主轴的静态特性分析[J].机床与液压，2019（08）：49-54.
[2]王远嵩，高自成，李立君，等.直驅式数控转台双面刹车机构的力学特性分析[J].机床与液压，2019（19）：66-70.
[3]崔文亮.关于数控设备维护和管理的探讨[J].内燃机与配件，2018（013）：184-185.
[4]李杨，张奎华，曹小波，等.基于Ansys/LS-Dyna的可靠性强化试验台仿真分析辅助设计[J].机械工程与技术，2020，009（006）：12.
[5]董宗哲.PLC自动控制系统的可靠性研究及设计方案分析[J].科技创新与品牌，2020（011）：70-71.