小口徑火炮數控拉線機床設計與研究

譚勝龍 王新科 景富軍

(中國兵器工業第五八研究所，四川綿陽 621000)

火炮根據彈丸口徑分類可以分為小口徑火炮(地面炮20～70 mm，高射炮20～60 mm)、中口徑炮(地面炮70～155 mm，但一般也把122 mm、152 mm、155 mm稱為大口徑，高射炮為60～100 mm)、大口徑炮(地面炮155 mm以上，高射炮100 mm以上)［1］?；鹋谏砉苁腔鹋诘年P鍵零部件，而膛線則是火炮身管的命脈線，其制造質量決定了火炮的射程、命中率和壽命［2］。由于火炮身管長徑比大，精度要求高，加工難度大，其加工技術成為火炮發展的關鍵技術。目前國內外對于小口徑火炮主要采用成型刀具加工，中口徑和大口徑主要采用自動進給刀具加工。在火炮身管加工制造方面，國內制造技術與國外相比差距較大，國外火炮加工以數控設備為主，在膛線加工這一關鍵工序，先進國家均采用系統自動監控加工狀態、刀具自動補償的數控機床加工，而國內在這一工序的加工仍然以傳統靠模機床為主，不但效率低，而且由于靠模磨損，精度降低，產品質量與發達國家相比有一定的差距，同時，靠模機床一種靠模只能加工一種火炮膛線，靠模更換困難，對產品變化適應性差。

針對靠模機床相關問題，西南自動化研究所以火炮膛線工藝參數為基礎，將傳統加工工藝與CNC控制有機結合起來，設計出了火炮數控拉線機床，彌補了我國火炮身管自動化加工技術的缺口。下面，筆者針對小口徑火炮淺談小口徑火炮數控拉線機床的設計與研究。小口徑火炮身管結構示意圖如圖1所示，梯形膛線，槽寬不大于3 mm，槽深不大于1 mm，夾角α不大于35°，纏度為不大于10°，使用成套成型刀具，從最小號直徑開始依次加大成型刀具號進行加工，每把成型刀具采用小吃刀量。膛線加工實物如圖2所示。

1 機床結構設計

小口徑火炮拉線機床設計應從以下幾個方面入手:

(1)機床具有良好的支撐剛度;

(2)機床具有沿火炮身管軸線方向的直線運動和旋轉運動;

(3)火炮身管裝夾靈活調節;

(4)機床具備冷卻和潤滑系統;

(5)CNC控制，加工狀態實時監測;

(6)機電一體化機床布局。

機床總體結構如圖3所示，主要由安裝主軸的動力床身部件、支撐小口徑火炮身管的工件床身部件、CNC控制系統和提供冷卻潤滑及走線輔助部件4部分組成。根據圖1所示火炮身管加工需求，機床設計額定拉削力為35 kN，最大拉削力為55 kN。在如此大的拉削力作用下，保證機床具有足夠的剛度也就是在保證機床的加工精度。影響機床加工精度涉及機床自身的支撐剛度、刀具的剛度、工件的剛度等方方面面，設計時從機床零部件自身結構設計、材料選擇、制造工藝、裝配工藝等方面來綜合提高提升機床自身的支撐剛度對于保證機床精度的重要性是無容置疑的。機床動力床身和工件床身為基礎大件，采用HT250(GB/T 9439)［3］為材料整體鑄造并人工時效處理，雙矩形支撐面熱對稱結構，床身平均壁厚30 mm，加強肋板采用垂直縱向肋和垂直橫向肋組合［4］，肋板厚度20 mm，保證導軌的幾何精度。左段為工件床身，導軌副采用雙矩形導軌內側寬導向的結構形式，床身中間低于導軌面便于冷卻液的回收，右段為動力床身，主軸通過力士樂高精度滾柱直線導軌導向，很大程度上減小了運動摩擦，提高了機床主軸軸向運動精度和動態響應性能。機床地基是支撐剛度的另一關鍵要素，機床采用混凝土單獨隔振地基，混凝土牌號選用500#［4］，寬度與長度以滿足機床安裝要求定制，厚度設計為850 mm，同時在機床混凝土地基邊設置防振溝，最大限度減小了工房其他振源對機床的影響。

小口徑火炮身管內孔尺寸較小，現有技術一般采用成套成型刀具加工完成，這要求機床具備沿工件軸線直線運動和繞工件軸線旋轉運動兩個方向的運動。沿工件軸線的直線運動稱為Z軸運動，主要通過伺服電動機、精密減速機、梯形絲杠構成傳動機構，通過高精度直線光柵尺構成檢測回路，實現機床運行時在工件軸線Z軸上的精確定位，Z軸有效行程為4 800 mm，定位精度為0.03 mm，重復定位精度為0.01 mm，工進速度為0.5～5 m/min，快進速度達到10 m/min。繞工件軸線的旋轉運動稱為C軸運動，實現膛線纏度的加工，主要通過伺服電動機、精密減速機、轉軸構成傳動機構，通過高精度角度編碼器構成檢測回路，實現機床運行時在C軸上的精確定位，C軸定位精度為20″，重復定位精度為 10″，工進速度為 0 ～4 r/min，快進速度為10 r/min。機床專用控制系統以西門子SINUMERIK 802D sl為基礎開發，實現對機床Z軸和C軸的控制，Z軸和C軸單獨運行與聯動運行兩種運行模式可以通過系統設定，滿足不同加工需求。

2 關鍵結構設計

小口徑火炮數控拉線機床C軸和Z軸是機床設計的關鍵零部件，C軸和Z軸傳動原理如圖4所示。

本文以C軸為例進行具體論述。保證C軸具有高剛度和高動態響應速度，決定著機床的加工精度和性能。C軸以HT250(GB/T 9439)［3］為材料整體鑄造的主軸箱為安裝基體，由伺服電動機5、圓弧齒同步帶4、中空精密減速機6、彈性聯軸器2和7、轉軸11及軸承組合構成傳動機構。主軸箱受力形變是箱體自身支撐剛度的主要因素，設計時必須進行仿真分析。主軸箱通過PRO/E三維建模，運用PRO/E MECHANICA進行結構仿真，在箱體上施加最大55 kN拉削力情況下的等效力，仿真結果如圖5、圖6所示，箱體最大形變為0.016 68 mm，支撐剛度滿足機床整體指標。

C軸通過伺服電動機驅動，伺服電動機選用西門子針對具有高動態性能和高精度要求機床提供的1FT6系列(1FT6 086－8AC7)永磁式同步電動機，額定輸出扭矩TC=22.5 N·m，額定轉速n=2 000 r/min。伺服電動機與減速機輸入軸通過圓弧齒同步帶直聯，減速機選用精密中空減速機，減速比ic1=20，圓弧齒同步帶減速比ic2=3.5，總減速比i=ic1×ic2=20×3.5=70。機床運行工況為2～3班制，工況惡劣，在機床正常運行時，同步電動機最大轉速n1=10×70=700 r/min，處于額定轉速1/3左右。根據西門子電動機特性，滿足連續工作的惡劣工況。減速機輸出軸與轉軸通過高剛度聯軸器聯接，從電動機輸出軸到轉軸傳動鏈短，傳動剛度好，傳動精度高。轉軸的旋轉精度主要由支撐軸承決定，轉軸選用雙向推力球軸承軸向定位(P5級)，選用圓錐孔雙列圓柱滾子軸承(SP級)與深溝球軸承(P4級)徑向支撐，轉軸軸向竄動達到0.005～0.015 mm，徑向跳動達到0.005～0.015 mm。C軸位置采用全閉環控制，首先通過1FT6 086－8AC7電動機內置編碼器，根據電動機輸出脈沖數換算得到電動機輸出位置，實現半閉環控制，然后通過轉軸尾端同軸安裝的旋轉編碼器，實時監控轉軸旋轉位置，CNC將旋轉編碼器數據與電動機數據比對并進行位置修正，完成位置全閉環控制。

3 控制系統

小口徑火炮數控拉線機床采用西門子802D sl系統，在此基礎上進行功能應用和擴展，將NC、PLC、HMI系統集成在同一操作界面，形成火炮數控拉線機專用控制系統，配置原理如圖7所示。該系統保證機床持續長久可靠地運行，而且具有加工過程的運行方式監控、電動機電流瞬動檢測、全程數據記錄、強化故障診斷、在異常發生后刀具能夠沿原軌跡自動退出等特殊功能，同時根據機床加工需求，系統擴展數據采集模塊與報警信息監控模塊。數據采集模塊與802D sl共同作用完成火炮身管的加工與過程監控。報警信息監控模塊主要針對冷卻泵故障、潤滑泵故障、行程超限故障、電源模塊故障、驅動模塊故障、802D sl系統故障、單軸位置超差故障、軸聯動位置超差故障、電動機負載電流超差、空調器故障、緊急停止故障、數據采集模塊故障等報警信號的處理，均在802D sl系統及數據采集模塊內部進行并在系統面板上優先顯示。如果數控系統遇到影響加工精度的報警信號則停機待檢，如果數控系統根據全閉環位置反饋信息判定機床加工精度無法保證，但誤差不超過預設的情況下，系統自動啟動預先設置的螺距補償功能，可在一定范圍內調節加工精度，減小加工誤差。

4 結語

小口徑火炮數控拉線機床彌補了我國火炮身管自動化加工技術的缺口，機床實現了位置全閉環控制，控制系統實時監控機床運行狀態并根據預設值調控運行參數，保證了機床優良的加工精度和穩定的性能，對小口徑火炮產品類別的擴展和質量的提升提供了裝備技術支持。

［1］丁世用.兵器構造和發展概論［J］.現代兵器，1984(9):53－55.

［2］王靖君，赫信鵬.火炮概論［M］.北京:兵器工業出版社，1992.

［3］現代實用機床設計手冊編委會.現代實用機床設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［4］成大先.機械設計手冊［M］.北京:化學工業出版社，2007.