便攜式柔性多功能現(xiàn)場加工機(jī)床研制

陳登科　霍秋爽

摘 要：針對大型回轉(zhuǎn)件上法蘭面的現(xiàn)場加工問題越來越突出，便攜式柔性多功能現(xiàn)場加工機(jī)床的研制，將用與加工大型海工裝備回轉(zhuǎn)件上的法蘭面（車、銑、鉆）。該機(jī)床能夠很方便的大幅度調(diào)整機(jī)床的加工范圍；機(jī)床將采用自牽引旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)法蘭面的回轉(zhuǎn)加工，從而減少傳統(tǒng)機(jī)床對旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力和機(jī)床轉(zhuǎn)臂剛度的要求。

關(guān)鍵詞：便攜式；現(xiàn)場加工；柔性；自牽引；閉環(huán)控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.021

1 引言

便攜式柔性多功能機(jī)床是解決大型回轉(zhuǎn)上法蘭面的現(xiàn)場加工問題的專用機(jī)床。該機(jī)床的底座采用焊接的方式將底座焊接在法蘭中心孔上，起著固定和支撐整機(jī)的作用。與傳統(tǒng)的機(jī)床相比，由于所要加工的零件尺重量大，所以無法安裝到普通的機(jī)床上按照常規(guī)的方法進(jìn)行加工，所以必須反向思維，設(shè)計(jì)一種便攜式機(jī)床，即能安裝到工件上并對工件進(jìn)行加工的機(jī)床；同時(shí)由于工件的尺寸變化范圍巨大（3—12米），因此要求所設(shè)計(jì)的機(jī)床必須有柔性，即能夠很方便的大幅度調(diào)整機(jī)床的加工范圍；該機(jī)床將采用自牽引旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)法蘭面的回轉(zhuǎn)加工，從而減少傳統(tǒng)機(jī)床對旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力和機(jī)床轉(zhuǎn)臂剛度的要求。該設(shè)備研制成后將填補(bǔ)國內(nèi)空白。

2 研究內(nèi)容

2.1 大型便攜式柔性多功能現(xiàn)場加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本機(jī)床的結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖1所示，主要由中心立柱、轉(zhuǎn)臂、動(dòng)力滑臺、動(dòng)力頭、自牽引、標(biāo)準(zhǔn)盤、編碼器、檢測儀等模塊組成。

中心立柱模塊用于確定機(jī)床的回轉(zhuǎn)中心，讓其它模塊繞其軸線旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對大型法蘭的加工；立柱和轉(zhuǎn)臂之間采用調(diào)心軸承連接，當(dāng)法蘭表面高低不平引起動(dòng)力滑臺上下位置變化時(shí)，只是引起轉(zhuǎn)臂繞調(diào)心軸承擺動(dòng)而不會產(chǎn)生彎曲變形；

轉(zhuǎn)臂模塊由若干長度不等的子模塊剛性連接而成，通過增減轉(zhuǎn)臂子模塊的數(shù)量，可以很方便的大幅度調(diào)節(jié)設(shè)備的加工半徑，從而實(shí)現(xiàn)其柔性加工范圍，轉(zhuǎn)臂與中心立柱之間用球面軸承支撐鏈接；動(dòng)力滑臺模塊安裝在轉(zhuǎn)臂的末端，與轉(zhuǎn)臂浮動(dòng)鏈接，以消除因轉(zhuǎn)臂彎曲變形對動(dòng)力滑臺的位置精度的影響。通過雙重導(dǎo)軌可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭的雙向移動(dòng)，以便對法蘭面進(jìn)行加工；

動(dòng)力頭模塊分為銑削動(dòng)力頭模塊和車削頭模塊兩種，安裝在動(dòng)力滑臺模塊上，可以分別安裝車、銑、鉆、鏜、磨刀具，以加工所需要的表面和形狀；

自牽引模塊由兩個(gè)支撐滾子和驅(qū)動(dòng)滾子轉(zhuǎn)動(dòng)模塊組成，安裝在轉(zhuǎn)臂的末端，滾子與法蘭表面接觸，支撐系統(tǒng)的重量。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于動(dòng)力滑臺上有足夠的配重，保證滾子與法蘭表面的摩擦力足以帶動(dòng)機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自牽引功能；當(dāng)法蘭表面高低不平時(shí)，利用檢測控制系統(tǒng)的信號控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭模塊上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)刀具的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，以保證加工表面的平面度；

編碼器：用于檢測轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)位分度運(yùn)動(dòng)的角度；

標(biāo)準(zhǔn)盤：是一個(gè)加工精度較高的平面盤形件，用于代表要加工的法蘭面的理想位置；

檢測儀：安裝在轉(zhuǎn)臂上，通過檢測其與標(biāo)準(zhǔn)盤之間的距離變化，可以計(jì)算出被加工法蘭面處的平面度變化，以實(shí)現(xiàn)對刀具上下位置的調(diào)整，從而保證被加工法蘭面的平面度。

2.2 建立機(jī)床轉(zhuǎn)臂上檢測點(diǎn)位移的數(shù)學(xué)模型

由于機(jī)床的加工范圍大，轉(zhuǎn)臂的長度也隨加工范圍的變化而改變，當(dāng)支撐滾子上下位置變化時(shí)，轉(zhuǎn)臂檢測點(diǎn)的位移也是不同的，因此必須通過計(jì)算分析，求出滾子的位移與轉(zhuǎn)臂檢測點(diǎn)位移之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并通過樣機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行修正，以供控制系統(tǒng)控制動(dòng)力頭模塊上下移動(dòng)之使用。

2.3 檢測控制與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)：通過檢測裝置，檢測轉(zhuǎn)臂上特定點(diǎn)的位移，通過編碼器可以得知轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，以便控制系統(tǒng)控制自牽引裝置中支撐滾子的上下移動(dòng)量和確定轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)位分度運(yùn)動(dòng)。

控制系統(tǒng)：控制滾子的上下移動(dòng)、轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)位分度運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力頭的上下及徑向運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力頭模塊的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)等。

2.4 便攜式柔性多功能現(xiàn)場加工機(jī)床的樣機(jī)研制與試驗(yàn)

制造一臺樣機(jī)，并進(jìn)行現(xiàn)場加工試驗(yàn)，研究不同情況下的刀具、切削參數(shù)選擇及加工方案確定；修正滾子的位移與轉(zhuǎn)臂檢測點(diǎn)位移之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式；研究和確定專用輔助工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以減少工藝系統(tǒng)的變形，保證所需要的加工質(zhì)量。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 便攜式

由于大型回轉(zhuǎn)件的尺寸巨大，本機(jī)床必須安裝到工件上對工件進(jìn)行現(xiàn)場加工，所以本機(jī)床設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊之間通過接口可以快速拆裝，從而實(shí)現(xiàn)便攜功能。

3.2 現(xiàn)場加工

由于工件尺寸、重量巨大，無法安裝到普通的機(jī)床上按照常規(guī)方法加工，所以我們采用反向思維，設(shè)計(jì)一種能安裝到工件上并對工件進(jìn)行現(xiàn)場加工的機(jī)床；

3.3 柔性

由于被加工工件的尺寸變化范圍巨大（3—12米），本機(jī)床通過增減轉(zhuǎn)臂鏈接模塊的數(shù)量，可以很方便的實(shí)現(xiàn)大幅度調(diào)節(jié)加工范圍的功能。

3.4 自牽引

由于加工工件的尺寸變化范圍巨大（3—12米），如果使用常規(guī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)即通過中心立柱處的動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)機(jī)床的轉(zhuǎn)臂部分，一則需要的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力巨大，二則要求轉(zhuǎn)臂具有很大的剛度。因此本機(jī)床的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)改為動(dòng)力頭處的自牽引裝置，既減少了上述要求，同時(shí)可以減少甚至消除轉(zhuǎn)臂剛度對加工精度的影響。

3.5 閉環(huán)控制

該機(jī)床的控制檢測系統(tǒng)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)特定檢測點(diǎn)的檢測結(jié)果，動(dòng)力頭能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)其上下的位置，以補(bǔ)償法蘭平面的自身平面度誤差對加工精度的影響，也同時(shí)保證加工直徑在3～12米范圍內(nèi)柔性可調(diào)，解決了加工大型法蘭平面度的精度要求。

4 結(jié)束語

作為大型結(jié)構(gòu)件法法蘭面的現(xiàn)場機(jī)加工設(shè)備來說，必將行成產(chǎn)業(yè)化，規(guī)模化，隨著大型構(gòu)件現(xiàn)場機(jī)加工規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的成熟，現(xiàn)場加工必成為獨(dú)立的行業(yè)，在工程裝備加工行業(yè)中占有一定的份額。

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作者簡介：陳登科（1988-），山東寧陽人，碩士。