超長床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與拼接

□ 羅任峰 □ 王 康 □ 陳瑞冬 □ 王文宗 □ 弓 波 □ 寧志鵬

1.天津航天機(jī)電設(shè)備研究所 天津 300458 2.航天神舟科技發(fā)展有限公司 天津 300458

1 設(shè)計(jì)背景

筆者設(shè)計(jì)的超長床身結(jié)構(gòu)可以用于支撐上方的燈光設(shè)備,通過驅(qū)動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)燈光設(shè)備的速度跟隨和遠(yuǎn)距離直線運(yùn)動(dòng)。燈光設(shè)備整體高度達(dá)4.5 m,質(zhì)量為3 t左右,采用和地面固接的床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐,為較安全的方式。

目前床身結(jié)構(gòu)大多采用鑄造方式,生產(chǎn)周期長,設(shè)備質(zhì)量大,成本高。考慮到燈光設(shè)備的速度跟隨精度相比機(jī)床定位精度而言要求較低,整體直線度要求滿足滑塊的順暢運(yùn)動(dòng)即可。由此,筆者提出焊接結(jié)構(gòu)方案,并在此基礎(chǔ)上開展超長床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和拼接技術(shù)研究。

2 單段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單段床身結(jié)構(gòu)如圖1所示。單段床身采用矩形管焊接方式,在兩端設(shè)計(jì)有對接平面。通過對接平面,可以進(jìn)行多段床身的拼接。對接平面兩側(cè)有左右調(diào)節(jié)螺紋孔,可以通過螺釘微調(diào)床身的左右直線度。床身下方為墊鐵支撐座。床身上方分布有兩條導(dǎo)軌安裝面和一條齒條安裝面,三個(gè)平面一次裝夾加工而成,保證相互之間的位置關(guān)系。

3 拼接方案

床身拼接方案如圖2所示。兩段床身之間通過12個(gè)M16螺栓進(jìn)行連接緊固,保證床身連接的剛性要求。床身兩側(cè)通過兩個(gè)M12螺釘進(jìn)行左右直線度調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)完成后通過自制墊鐵進(jìn)行水平度調(diào)節(jié),再通過M30地腳螺栓進(jìn)行緊固。最后現(xiàn)場安裝騎縫銷軸,對床身拼接位置進(jìn)行定位。

4 加工方案

4.1 加工精度要求

為保證多段床身拼接后整體直線度達(dá)標(biāo),需要對單段床身的加工精度進(jìn)行控制,主要從三個(gè)方面進(jìn)行控制。第一,控制墊鐵支撐座整體平面度0.2 mm。墊鐵安裝座加工尺寸如圖3所示。第二,控制基準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝平面平面度及止口直線度、副導(dǎo)軌安裝平面平面度及相對基準(zhǔn)導(dǎo)軌止口立面的平行度、齒條安裝定位止口直線度及相對基準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝止口的平行度。導(dǎo)軌安裝面和齒條安裝面加工尺寸如圖4所示。第三,控制對接平面整體平面度及相對導(dǎo)軌安裝平面的垂直度。對接平面加工尺寸如圖5所示。

圖3 墊鐵安裝座加工尺寸

圖4 導(dǎo)軌安裝面和齒條安裝面加工尺寸

圖5 對接平面加工尺寸

4.2 加工過程控制

焊接完成后,床身結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理或去應(yīng)力退火處理,充分釋放焊接應(yīng)力,減小應(yīng)力對加工精度的影響。筆者采用振動(dòng)時(shí)效處理。

選擇8 m龍門銑床對每段床身進(jìn)行加工。第一次裝夾,進(jìn)行墊鐵支撐座的加工,一次加工完成,保證24個(gè)小平面的整體平面度能夠達(dá)到0.2 mm。第二次裝夾,以墊鐵支撐座為基準(zhǔn),進(jìn)行導(dǎo)軌安裝面、齒條安裝面、對接平面的加工。上述三個(gè)平面全部在這一工序完成加工,保證導(dǎo)軌安裝面、齒條安裝面、對接平面之間的相對位置關(guān)系。

首段床身加工完成后,使用百分表在機(jī)床上進(jìn)行自檢,然后使用相機(jī)測量的方法對機(jī)床檢測尺寸進(jìn)行復(fù)驗(yàn),保證首段床身的加工精度,作為后續(xù)各段床身的加工標(biāo)準(zhǔn)化工藝流程。首段床身檢測現(xiàn)場如圖6所示,檢測時(shí)可以采用機(jī)床帶百分表檢測和相機(jī)靶點(diǎn)檢測的方法。

5 拼接工藝

筆者對七段6 m床身進(jìn)行拼接,總長度為42 m。總體拼接工藝如下:

(1)根據(jù)床身尺寸,開挖地腳螺栓孔,為二次澆注做準(zhǔn)備;

(2)對床身按照加工標(biāo)號進(jìn)行排列,床身已預(yù)打滑軌螺釘孔,并進(jìn)行編號;

(3)使用水平儀對每段床身的平面度進(jìn)行復(fù)測,為后續(xù)調(diào)平做準(zhǔn)備,平面度測量原理如圖7所示,現(xiàn)場如圖8所示;

圖7 平面度測量原理

圖8 平面度測量現(xiàn)場

(4)從一側(cè)開始進(jìn)行拼接處的調(diào)節(jié),通過墊銅片的方法使接縫處直線度和整段床身直線度基本一致,完成一處立刻擰緊M16連接螺栓;

(5)將七段床身的六處接縫全部拼接完成,使用校準(zhǔn)儀進(jìn)行粗測量,整體直線度控制在2 mm/42 m以內(nèi)后,使用地腳螺栓將床身與地面緊固,地腳螺栓和安裝孔留有單邊2 mm間隙,方便進(jìn)行后續(xù)精調(diào)節(jié);

(6)地腳螺栓緊固完成后,使用激光跟蹤儀進(jìn)行直線度精準(zhǔn)測量,對直線度的高低點(diǎn)進(jìn)行硬校正。

借助工裝進(jìn)行每段床身的平面度測量,水平儀1進(jìn)行X向平面度測量,水平儀2進(jìn)行Y向平面度測量,通過測量數(shù)據(jù)了解床身的平面度。通過墊鐵的調(diào)整,將平面度調(diào)整為一端高一端低的狀態(tài),拼接處后一段床身相對前一段床身的平面度控制在0.1 mm內(nèi)。拼接處平面度測量如圖9所示。

圖9 拼接處平面度測量

拼接處直線度測量如圖10所示。將工裝連接百分表,借用工裝以前一段床身基準(zhǔn)導(dǎo)軌止口為基準(zhǔn),測量后一段床身相對前一段床身的直線度。

圖10 拼接處直線度測量

對于拼接處直線度的調(diào)節(jié),可以采用墊銅片的方法,如圖11所示。

圖11 拼接處直線度調(diào)節(jié)

圖11中,Lz為單段床身總長度,δz為單段床身直線度,L1為單段床身墊銅片位置長度,L2為墊銅片位置相對于墊銅片起點(diǎn)的距離,δ為測量直線度,L為測量長度,δ1、δ2為墊銅片調(diào)整量,θ為存在的傾斜角度。

θ=δ/L

(1)

δ2=L1θ

(2)

δ1=(L1-L2)θ

(3)

測量直線度的控制范圍計(jì)算為:

δ=L/Lz×δz

(4)

按照上述方法墊銅片調(diào)節(jié)完成后,將M16連接螺栓擰緊。依次完成七段床身的調(diào)整,調(diào)節(jié)過程中每完成二三段需測量整體直線度,時(shí)刻掌握調(diào)整狀態(tài),直至整體調(diào)節(jié)完成。調(diào)節(jié)過程中使用準(zhǔn)直儀進(jìn)行粗測量,對存在較大誤差處進(jìn)行校正,保證整體直線度控制在2 mm/42 m以內(nèi)。粗調(diào)節(jié)完成后,使用M30地腳螺栓緊固床身。使用激光跟蹤儀進(jìn)行全長度直線度測量,如圖12所示。對于存在較大偏差的地方進(jìn)行精調(diào)整,如圖13所示。精調(diào)整完成后,在床身拼接位置處配打騎縫銷軸,保證連接處可靠不錯(cuò)位。

圖12 全長度直線度測量

圖13 精調(diào)整

6 測試驗(yàn)證

調(diào)節(jié)完成后,采用激光跟蹤儀進(jìn)行最后測量,直線度測量結(jié)果界面如圖14所示。直線度達(dá)到0.35 mm/42 m,滿足預(yù)期要求。

圖14 直線度測量結(jié)果界面