風力發電機機座鏜削專用機床的設計

潘毅

（常熟理工學院機械工程學院，江蘇常熟 215500）

風力發電機機座鏜削專用機床的設計

潘毅

（常熟理工學院機械工程學院，江蘇常熟 215500）

根據某風力發電機座的孔徑加工要求，結合其孔徑及孔深特點，提出了設計專用鏜削機床以實現該類大型零部件的鏜孔加工.實踐證明該方案在裝備投入以及在實現大型動力裝備零部件高效率、高質量的鏜孔加工方面具備優勢.

風力發電機；鏜削；專用機床

大型動力裝備在制造過程中經常涉及大型零部件內孔的鏜孔加工，如汽輪發電機、風力發電機的機座及大型汽輪機汽缸內徑的加工等，這些零部件的內徑具有直徑和長度尺寸均大的特點，若采用大型的通用鏜削設備加工，則其裝備的投入一般在幾百萬元以上，并且加工過程也并不能完全保證高效率和高質量.本文結合某風力發電機機座內孔鏜削加工要求，設計鏜孔專用機床以實現該類工件內孔的高效、優質及低耗的鏜削加工.

1 風力發電機機座的加工分析及專機總體方案的形成

根據該工件的特點，從工藝方案看，可以通過精加工后的機座底面做定位基準，采用工件進給，刀具旋轉的鏜孔方式加工出各處的孔徑尺寸.為此考慮采用圖2所示的鏜孔專機方案[2].該方案的要點是，機床為類似臥式車床結構，采用車床的運動坐標系統.按照鏜削原理，由機床主軸電機帶動位于主軸端部的X向拖板上的刀具旋轉；大質量工件放置于工作臺，隨工作臺做Z向進給運動.其中Z向采用伺服電機通過滾珠絲杠驅動的工作臺構成Z向進給傳動；而刀具被安裝于X向拖板隨其上的刀架內作X向傳動，X向拖板則由X向電機通過絲杠螺母機構帶動滑塊作直線運動以形成X向進給運動.

圖1 某風力發電機機座的三維造型

2 鏜孔專機傳動部件的設計

如圖2所示的鏜孔專機傳動分為主傳動和進給傳動兩部分.主傳動設計的特點在于結合車床的鏜孔原理及該類工件孔深大的特征，需要把主軸作為刀桿考慮，因此主軸伸長量應大于最大孔深量.然后按照機床設計規范，從所切削工件的材料特性和毛坯留量，結合切削用量確定所需的最大切削力、轉速范圍及最大轉矩，從而確定主軸的運動學和動力學相關參數.經過上述設計計算，確定相應的主軸傳動結構及主軸特性如圖3所示[3].

進給傳動的設計需考慮X、Z兩個方向.其中Z向傳動參數的考慮，依據工作臺的受力分析和工件在主軸長度方向的尺寸精度要求，采用了數控半閉環的傳動方式.即Z伺服電機帶動滾珠絲杠做Z向進給傳動，其工作速度可以在驅動器中設定.在考慮工件重量、長度及軸向切削分力等因素后，設計定制的滾珠絲杠直徑與長度分別為?63 mm和3650 mm.

X方向的傳動設計特點是傳動鏈很長，這是由于X向拖板被置于主軸端部.而主軸的伸長達2200 mm，這就使得X向在由獨立電機傳動時需考慮有通過主軸伸長部分的超長傳動鏈以及主軸內孔徑的尺寸限制等具體問題，因此在X向刀具進退運動的傳動設計中需考慮拖動電機的安裝位置、傳動方式和間隙消除等問題.圖4的X向傳動從主軸尾部的X向電機開始，通過鏈傳動（因中心距較大）進入間隙消除機構，再進入速度變換部分（采用行星輪系降速），然后經通過主軸內孔的X傳動軸端上的錐齒輪帶動X向絲杠實現刀架的運動.

圖2 鏜削專用機床設計方案示意圖

圖3 主軸結構及輸出特性

圖4 X向的傳動機構設計示意

3 鏜孔專機控制部分的設計

由機械設計獲得的結構要求分析，鏜孔專機的控制部分主要圍繞主傳動部分的主軸電機、進給傳動部分的Z軸電機和X軸電機的不同控制要求來設計（如圖5所示）.主軸電機要求滿足切削功率與轉矩要求，并有一定的調速范圍.本設計采用了YCT系列電磁調速電動機，其主體由Y系列三相異步電動機、電磁轉差離合器和測速發電機組成，通常與JD系列、TKZ系列控制器組成具有測速負反饋系統的交流無級調速驅動裝置，能在比較寬廣的轉速范圍內進行平滑的無級調速.進給部分的電機根據Z軸、X軸進給的不同要求采用了交流伺服電機和YDS-100超低速電機.其中Z軸交流伺服電機配以驅動器，可實現數控半閉環傳動，能滿足在孔深方向上的尺寸精度要求；而X軸傳動精度直接與孔徑所要求的精度相關，因此考慮在X向配有光柵，以實現刀具調整時的準確進給.從X軸所要求的進給速度看，配置轉速低，扭矩大，體積小、重量輕、運轉平穩的YDS-100超低速電機，結合光柵信號進行變頻調速控制，實現了安裝于X軸上刀具的可控進給運動.

圖5 鏜孔專機電氣控制原理圖

4 結論

對于大型裝備中長徑尺寸較大的零部件內孔的鏜削加工，設計鏜孔專用機床是一種較為經濟的加工方案，當然該方案應該建立在零部件具有一定批量和具備一定產品系列的基礎上.由此分析鏜孔所對應的長徑參數，使得專用機床的設計具有一定的產品覆蓋范圍，更好地提升其整體技術經濟性能.本例中的鏜孔專機考慮了鏜孔范圍在1200 mm，工件重量范圍不大于2000 Kg大型零部件的加工，其設計思路也可以在更大容量的發電機機座的鏜削加工上獲得推廣應用.在本專用機床上的實際加工結果表明，該專用機床具有工件安裝調整方便，鏜削加工效率高、質量穩定的特點，在大型零部件的內孔鏜削上體現了一定優勢.

[1]潘毅.CAXA模具設計與制造指導[M].北京：清華大學出版社，2004：104-144.

[2]機械設計實用手冊編委會.機械設計實用手冊[M].北京：機械工業出版社，2007：1128-1186.

[3]王文斌.機械設計手冊（第三卷）[M].北京：機械工業出版社，2007：127-164.

A Design of the Special Boring Machine for the Wind Generator Frame

Pan Yi
(School of Mechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

According to the aperture processing requirements of a certain type wind generator frame,and in com?bination with ts characteristics of the diameter and depth of the hole,this paper designs a special boring ma?chine to achieve the boring processing of the kind of large parts.The practice has proved that this scheme has the advantage in the realization of large-scale power equipment parts with high efficiency,and high quality of the boring processing.

wind generator;boring;specialmachine

TH122

B

1008-2794（2012）08-0066-03

2012-05-16

潘毅（1955—），男，江蘇常熟人，研究員級高級工程師，研究方向：機械工程領域數控專用裝備的設計與制造、透平葉片的數字化制造技術等.