CK53100数控单柱移动立式车床技术性能与结构特点

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当代数控重型-车床应具备高承载、高速度、高效率、高精度、高自动化等特性，机床的技术性能和特点包括机床结构、工艺适应性、精度、使用可靠性和宜人性等方面。
CK53100型数控单柱移动立式-车床的最大加工直径10000mm，最大加工高度3000mm，最大承载重量80t，除可以完成普通立式车床所有的车削工序外，还可以车削螺纹、锥体和各种旋转曲面体。为满足机床的特殊用途，备有电气随动车削装置，可随动车削非圆形变壁厚筒体、锥体、不等锥体、焊接坡口。本文重点介绍CK53100型数控单柱移动立式车床的技术性能、结构特点及其关键技术。
一、国外同类机床的性能对比
目前，国外生产数控单柱移动立式车床及铣车床的工厂有德国多列士-沙尔曼集团（DORRIES－SCHARMAN）、意大利茵塞（INNSE）、日本东芝（TOSHIBA）、捷克勃朗斯柯（BLANSKO）等。德国希斯公司20世纪80年代末90年代初有自己的DV系列产品，性能和结构处于当时世界领先地位，但其90年代被多列士-沙尔曼集团兼并。DORRIES公司的单柱立车，工作台底座是滚动导轨。捷克SKJT80－160A是普通型。意大利INNSE公司生产的是用回转工作台和镗铣立柱拼合的产品。而生产过10米数控单柱移动立式车床仅希斯一家。现列举德国希斯DV40和武重的CK53100有关项目对比如下表：主要项目机床型号CK53100中国武重DV40德国希斯最大加工直径（mm）10,0003,000最大加工高度（mm）3,0003,000最大工件重量（t）8080最大切削力（kN）6063工件卡爪径向、轴向调节 径向调节 非圆形变壁厚筒体试件长短轴差100mm，随动车削后坡口精度（mm）±0.2（实测）无此项功能X坐标试件精度0.03（实测）0.06（标准）Z坐标试件精度0.015（实测）0.03（标准）工作精度（mm）圆度0.01圆柱度0.01/300圆度0.01圆柱度0.01/300工作台精压系统有温控箱无温控箱工作台导轨形式预载恒温恒流静压导轨预载恒流静压导轨工作台保护电流、温度、油压断电保护电流、温度保护主变速箱结构行星齿轮普通齿轮主轴结构定心，给导轨加预载，恒定中心卸荷，给工作台变形以反变形定心，给导轨加预载刀架滑枕运动导轨预载恒流静压导轨预载恒流静压导轨电气随动车削装置有无随动刀夹最大移动速度（mm/min）8,000无随动刀夹最大切削力（kN）40无随动刀夹最大行程（mm）100无滑枕垂直行程（mm）1,5001,400滑枕断面（mm）240×280210×250主电机功率（kW）7571

二、运行可靠性分析CK53100型数控单柱移动立式车床在研制过程中进行过多种试验，以检测其工作可靠性。
1运转试验：机床运转试验包括空运转试验和载重运转试验，用以考核机床主传动系统的工作性能。
2重切试验：重切试验用以考核机床的切削加工性能。
3整机联动试验：确定工作程序（工作程序包括机床的所有功能和工作范围0后，机床按工作程序进行自动循环连续运转16小时以上，不出现故障。
结果，全部实验均顺利完成，这说明该机床的运行可靠性良好，完全能够满足用户的使用要求。
三、结构特点
当代重型机床的一个重要的结构特点是：结构典型化，设计模块化。CK53100型数控单柱移动立式车床整机遵循模块化的原则设计，从全系列通用的角度考虑结构，以10m数控立车为基型，向下可延至8n，向上可扩展至12.5m。
工作台、底座、主变速箱等主运动部分和床身、立柱、横梁、刀架等进给运动部分不连接，相互之间的精度可以独立调整，彼此不干扰，且可以将工作台、底座、床身、立柱、横梁、刀架等主要部件分别设计成若干模块，以便用各种不同规格的模块进行拼合，满足用户选型的需要。
主运动部分：可控硅供电的宽调磁直流电机，通过一个两档变速的行星齿轮箱，带动工作台回转。工作台径向采用高精度双列圆柱滚子轴承定心，轴向采用预载恒流静压导轨并带有温控和温度保护装置，可根据负载和温度，选用合适的流量。在机床突然断电时，设计上考虑了用蓄能器作静压断电保护。静压泵站带有两个蓄能器，在突然断电后，仍能为静压导轨供油15秒，以免损坏导轨。
工作台带有径向及轴向调节的卡爪。装卡大于工作台直径的工件采用了专用的工件支承座。这种支承座能保证工件重量由工作台静压导轨承受。支承座装有扇形板，使整个支承座联接成为一个整体，便于操作及工件的装卡。
进给运动部分：溜板和滑枕的运动均采用预载恒流静压导轨，分别以交流伺服电机为动力，由加有预载的滚珠丝杠副驱动。
立柱在床身上移动，采用静压卸荷导轨。
横梁体由前后两部分拼合而成，接合面间用螺栓连接。横梁沿立柱导轨上下移动，采用特殊的静压卸荷丝杠螺母，牙型为锯齿形，液压调整到卸去60%～70%的总负载，仍保持滑动丝杠螺母的自锁特性。横梁升降是通过安装在立柱顶面的交流电机驱动，其动作顺序如下：按下横梁升降按扭→导轨面润滑供油→静压卸荷丝杠螺母供油→松开横梁卡紧→横梁自动上升（下降）到规定位置松开按扭→横梁自动卡紧在立柱上，当横梁下降终止时，还会自动回升10～20mm，以保证丝杠处于上升时同样受力状态。
床身与横梁导轨和升降丝杠均具有防护装置。
机床配有独立的升降走台，在地面和升降走台上均有集中控制的操作台，并配有手持单元。
电气随动部分：装有光栅尺的测量装置在副滑座上，光栅民的反馈信号传给高速数据处理系统，驱动高速跟踪伺服电机，通过滚珠丝杠带动随动刀夹运动。
机床具有X、Z两个坐标轴及一个电气随动轴（W轴），X、Z轴可联动，W轴具有高速即时跟踪功能。机床采用Siemens FM－NC数控系统及Indromat高速即时跟踪系统。
四、电气随动车削装置
CK53100数控单柱移动立式车床的设计与制造集中了高速即时跟踪技术、计算机辅助设计与计算机辅助装配技术、恒流恒温静压技术、无间隙传动技术、全自动液压油循环技术、静压卸荷丝杠技术、横梁卸荷梁技术、大型钢结构消除应力技术、数控技术等多学科知识，属知识密集型产品。尤其是高速即时跟踪技术是该机床独创的关键技术。
电气随动车削装置原理与结构示意图
一般的数控立式车床，只能在圆形工件上车削焊接坡口。某些有特殊用途的大直径非圆形变壁厚筒体、锥体、不等锥体焊接结构件，工艺要求其焊接坡口钝边厚度必须保持一致。由于此类零件的径向尺寸是变化的，加工坡口时，除X、Z轴两轴联动外，还需在刀夹上增加一个电气随动轴。车削时，使电气随动轴的变化与工件径向尺寸的变化同步，才能使加工焊接坡口的钝边厚度一致。在加工圆环外壁上的坡口时，车刀在径向需随圆环内壁轮廓进给；而加工圆环内壁上的坡口时，车刀在径向则需随圆环外壁轮廓进给。因此，要求数控重型立车具备电气随动仿形车削的功能。根据使用要求，我们设计了一套电气随动车削装置，成功地完成了此类零件的加工。
电气随动车削装置由三部分组成：l.即时测量反馈装置；2.高速数据处理及控制系统；3.电气随动刀夹。电气随动车削装置原理与结构示意如下图。即时测量反馈装置由光栅尺1、直线滚动导轨2及即时跟踪测量装置3组成。光栅尺选用德国HEIDENHAIN高精度光栅尺，其输出信号为方波信号，省去了正弦波转换为方波的模数转换模块，可提高系统的响应速度。高精度直线滚动导轨，其动静摩擦因数小，导向精度高，机械响应速度快。伸缩杆上装有滚轮，滚轮在工件上滚动，工件半径变化的位移信号由光栅尺通过电缆传至高速数据处理及控制系统。
高速数据处理及控制系统，对于位移反馈信号（即非圆形变壁厚筒体径向尺寸变化信号）进行处理后，经电缆传至即时跟踪伺服驱动器，驱动高速跟踪伺服电机，推动随动刀夹移动。数据处理时间为0.5ms，由于此系统响应速度快，使随动刀夹具有很高的跟踪速度及精度。高速数据处理及控制系统还可与SiemensFM－NC数控系统进行数据通汛。通过编程，数控系统向电气随动车削装置发出启、停信号。当电气随动车削装置工作异常报警时，高速数据处理及控制系统给数控系统发出中断信号，数控系统给二轴交流伺服系统发出信号，控制Z轴滑枕快速提刀，同时数控系统控制主电机停转，这样可避免损坏工件。此功能在工件加工过程中显得非常重要。
电气随动刀夹由高速跟踪伺服电机8、刀夹座与刀夹体5、配速齿轮7、滚珠丝杠副6等组成。高速跟踪伺服电机具有很高的灵敏度和精度，导轨座和刀夹体之间采用氟塑软带导轨，摩擦因数小，响应快。采用油脂润滑，在刀夹体上有注油嘴，可定期加注润滑脂，刀夹有效行程为100mm，刀夹移动速度可达8000mm/min，有很高的即时跟踪速度和很好的精度。
工作时，即时测量反馈装置的测量头与非圆形简体4的内壁接触，启动数控立车工作台旋转，测量反馈装置可即时测出非圆形筒体径向尺寸的变化量，此信号传输到高速数据处理及控制系统，控制高速跟踪伺服电机驱动随动刀夹即时跟踪，使电气随动刀夹位移的变化与非圆形筒体径向尺寸的变化同步，从而实现了电气随动车削非圆形变壁厚筒体焊接坡口的功能。
试车时，使用电气随动车削装置加工大直径超重型非圆形变壁厚筒体，筒体长、短轴差为100mm，壁厚差为35mm，加工坡口为45°，钝边为5mm，加工后钝边误差±0.2mm，优于零件±0.5mm的精度要求，完全能够满足此类零件的加工要求。
数控重型立式车床是能源、冶金、交通、军工等行业中，大直径回转体零件的主要加工设备。为适应市场经济形势的发展，以多功能、高效率、功能与工艺要求相适应、价格适中的产品参与市场竞争，是数控重型立式车床发展的重要特点。而CK53100数控单柱移动立式车床基本具有这些特点，能使用户以较经济的加工手段，获得很高的加工精度和生产效率，其适用范围相当广泛，因而发展前景十分广阔。