風力發電機主軸端面孔加工數控專機的研制

莊曙東 陸其清 卞新高

（河海大學機電工程學院，江蘇常州 213022）

風力發電機主軸端面孔加工數控專機的研制

莊曙東 陸其清 卞新高

（河海大學機電工程學院，江蘇常州 213022）

主要介紹風力發電機主軸等大型軸類零件端面孔加工數控專機的研制過程。從確立專機的整體結構開始，根據整體結構設計，對機床5個重要構成部件：床身與導軌、動立柱、主軸與刀架、支承工件的定導軌、機床電氣和數控控制系統進行研究和設計，介紹了機床的裝配、調試過程，并通過完成實際工件的加工，達到了機床成本低、操作便捷的預期。

端面孔數控專機 整體結構設計 主要部件設計

根據國家新能源政策，今后一段時間內，國家將重點扶持利用風能、核能、太陽能的企業。受惠于這一政策，我國涌現了以新疆金風科技、上海嶙風科技、四川東汽集團為代表的制造風力發電機的企業。實際上在我國利用小型風力發電機技術較為成熟，近年來風力發電主要研發方向為1 MW以上的風力發電機。這些發電機的主要技術難題在其大型零部件的制造，而風力發電機主軸由于精度要求高，加工工藝復雜，使之成為研發和制造風力發電機廠家的研究重點。本文就加工風力發電機主軸端面孔的數控專機技術進行研究。

1 風力發電機主軸

圖1為某一廠家風力發電機主軸大端端面孔加工工序圖。由圖紙分析知，這些孔的位置精度要求不高，但數量眾多，假如完全按單件要求鉗工劃線加工，不但孔位置精度難以保證，而且加工時間也很長。所以一般加工企業采用鉆孔模具進行加工，但是鉆模加工也存在至少三點不足：①由于加工件直徑大，長度長，所以在使用鉆模時，移動或調整工件費時費力；②鉆模在孔精度（尺寸精度和位置精度）較高時難以保證；③由于1 MW以上的風力發電機技術還未完全成熟，所以風力發電機主軸圖紙將可能需要修改。而圖紙修改可能意味著鉆模的報廢，這將大大增加加工成本。

基于以上三點，一些加工企業希望研發風力發電機軸端面孔加工的數控鉆床，以便很好解決以上問題。但國內合適的機床很少，雖然有些機床符合要求，但由于精度高、加工范圍廣，因此其價格也高。為此，我們提出了數控專機的研發，以節省成本。

2 機床的整體設計

由上述分析可知，要完成端面孔的加工，數控專機可以采用多種結構形式：

（1）采用固定立柱龍門框架式結構。這種結構穩定可靠，切削力強勁，但加工的風機主軸隨導軌移動，由于風機主軸大小不一，為保證較重的風機主軸能夠加工，必須配備大功率的拖動電動機、較高強度的支承導軌和直徑較大的滾珠絲杠。這將大大增加加工成本，所以本結構形式不宜采用。

（2）采用動立柱龍門框架式結構，這種結構支承風機主軸的導軌為固定式的，不存在拖動電動機和絲杠，結構可靠，切削力也很強勁。但是由于風機主軸的端面孔加工不需要很大切削力，雙立柱移動無疑由于制造精度高，制造成本也將大大提高。

（3）采用可移動單立柱結構，雖然切削力不宜過大，但卻能克服以上機床的缺點。可移動的單立柱一經選用，拖動電動機和絲杠也就能確定，支承風機主軸的導軌為固定式；單立柱制造精度低，制造成本也低，而且也能滿足端面孔加工所需的切削力。因此，本專機采用這一結構形式。

圖2為機床的整體結構示意圖。由圖可知，這是一臺可移動單立柱三坐標數控銑床，刀架在立柱上上下移動，最大行程為2 100 mm，可移動立柱在床身上移動，最大行程為2 400 mm，刀具在刀架上移動，最大行程為300 mm。

機床大致可分為以下5部分：床身與導軌、動立柱、主軸與刀架、支承風機主軸的定導軌、機床電氣和數控控制裝置。

3 機床主要部件的設計

3.1 機床床身與導軌

我們提出導軌的要求為：（1）是否國內有廠家能有成熟的導軌技術可以利用；（2）導軌有一定的導向精度，運動輕便平穩、低速應無爬行，良好的耐磨性，足夠的剛度，良好的結構工藝性。經過考察和調研，常州華鼎機械廠生產的相關產品經改進能符合要求。經改進設計導軌的簡圖如圖3所示。

3.2 滾珠絲杠

動立柱選用鑄鐵材料，由安裝在機床床身上的絲杠拖動，其上裝有絲杠，拖動主軸箱和刀架上下運動。動立柱的簡圖如圖4所示。

經絲杠強度校核計算并參考機床廠家的經驗，選用安裝在機床床身上拖動動立柱的X軸滾珠絲杠為GZ63×10，安裝在動立柱上拖動主軸箱和刀架運動的Y軸滾珠絲杠為GZ40×8。經對比選用針對本專機性價比較好的啟東潤澤機床附件有限公司生產的滾珠絲杠。其絲杠精度為絲杠全部行程中任意300 mm范圍內的定位精度為0.016 mm。

3.3 機床電氣和數控控制裝置

（1）電動機的選擇

專機配備有4個電動機，經過對電動機的最高速度、負載慣量、加減速時轉矩、連續過載時間等方面的效驗計算，選擇電動機的基本要求為：X軸配30 Nm電動機并配有傳動比為1∶2.5的減速機構，Y軸配15 Nm抱閘電動機，Z軸配15 Nm電動機并帶有主軸編碼器，冷卻為180 W冷卻泵電動機。

（2）數控系統的選擇

由于專機只要求X軸、Y軸聯動，在Z軸上能實現螺紋的攻絲加工，所以無論FNAUC系統、西門子系統，還是國產的華中系統、KND系統、廣數系統等均符合要求，經綜合專機的性價比與系統的穩定性等方面的考慮，數控系統選用廣數983M系統。

4 專機加工運行效果

專機加工運行效果以圖1風力發電機主軸大端端面孔加工工序圖的工件為例，進行加工效驗。

加工要求是：在直徑為1 200 mm的圓周上加工48個直徑為39 mm、孔深為52 mm和直徑為35 mm、孔深為135.23 mm的端面階梯孔，每個孔相距7.5°。

分析：為保證孔的位置精度，減少計算次數和誤差，可選用宏指令編程。

5 結語

經過實際生產，專機加工零件完全符合生產廠家的要求，并且成本僅為調研的相類似機床的1/5，達到設計目的與效果。

1 原泉等.用西門子840D系統改造豐田七砂輪曲軸磨床.制造技術與機床，2004（11）

2 邵俊鵬，董玉紅.機床數控技術.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2008.

3 劉虹.數控加工編程與操作.西安：西安電子科技大學出版社，2007.

4 機械設計手冊.機械設計手冊編委會.北京：機械工業出版社，2004.

5 廖萍，吳國慶.DK9032電熔爆機床.制造技術與機床，2004（11）

如果您想發表對本文的看法，請將文章編號填入讀者意見調查表中的相應位置。

Development of the CNC Specialty Machine for Face-Drilling on the Shaft of the Wind-Driven Motor

ZHUANG Shudong，LU Qiqing，BIAN Xingao
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Hehai University，Changzhou 213022，CHN）

This paper is mainly about the development of the CNC specialty machine for face－drilling on the large－scale shafts such as those of the wind－driven motor.It starts from the designing of the whole machine system.Then it comes to the studying and designing of the five principal parts of the machine.These parts are named as：the machine bed and bedway，moving chapiter，spindle and tool holder，fixed bedway for supporting the workpiece，electric circuit of the machine and NC systems.After that，this article introduced the assembly and the debugging process of the machine.Finally，by the manufacturing of the real workpieces，it is verified that the whole designing is suitable for the expectance that the machine is low cost and easy to operate.

CNC Specialty Machine for Face－Drilling；Designing of the Whole Machine；Designing of the Principal Parts

莊曙東，男，1970年生，工程師，機械技師，工程碩士。研究方向：數控機床與數控技術。

（編輯 呂伯誠） （

2009－07－14）

10127