CN102729098B - 大型回转体精密加工机床及利用其进行精密加工的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于中空回转体精密加工的机床，包括：机床底座，内轮廓加工部分，其包括支架、横梁、内轮廓加工主轴头、主轴滑台驱动电机、固定底座和可移动底座；外轮廓加工部分，包括外轮廓加工底座、轨道、外轮廓加工主轴头、滑台机构、丝杠及外圆主轴滑台驱动电机，外轮廓加工底座设置在机床底座上，轨道安装在外轮廓加工底座上，外轮廓加工主轴头与滑台机构固定连接，外轮廓主轴滑台驱动电机安装在导轨末端。本发明还公开了利用上述机床进行回转体轮廓精加工的方法。本发明的机床可用于大型回转体精密加工的机床，结构紧凑、尺寸较小，而且加工精度和加工效率较高，适用于大型回转体的精密加工，本发明的方法具有高的加工精度和加工效率。

Description

大型回转体精密加工机床及利用其进行精密加工的方法

技术领域

本发明属于回转体精密加工技术领域，具体涉及一种可用于大型回转体精密加工的机床及利用该机床进行大型回转体的精密加工的方法。

背景技术

在大型的物料输送和起重设备中，回转体常被用作设备的支撑和回转部件，如三峡工程中塔带机的基础节和标准节、港口码头塔机的回转支撑回转体，以及电厂和水泥厂的圆形堆取料机的回转体等等。对回转体铸件或回转体锻件的进一步加工以扩大孔径，提高精度，纠正原来孔轴线的偏斜，减小表面粗糙度是回转体加工必不可少的。

目前，对于大型机械零件的加工，主要依靠重型复合加工机床大型回转体零件通常采用重型立式车削复合机床在机械加工车间的厂房内完成零件的精密加工，然后再将其运输到用户所需使用场所。这种加工方法不可避免有以下几点问题：（1）这类大型回转体零件由于其几何尺寸超长超大、甚至超重，从生产企业到用户目的地，沿途受桥梁、隧道、公路、弯道、路边房屋、树木、电缆、电线等在高度和宽度方面的限制，根本无法把这类大型回转体零件运输到用户指定地点；即使能够运输到用户所需地点，沿途运输所需开销极大，而且还需要花费大量的时间去排除沿途障碍，有时甚至花费数月的时间。（2）对于生产企业来说，需要有重型的卧式或立式复合加工机床，才能完成这类大型回转体零件的加工。前期投入巨大，技术装备要求强，加工成本高。（3）对于一些薄壁的大型回转体零件，由于其径向刚度很弱，无法在重型的卧式或立式复合加工机床上进行定位和夹紧。

由于采用大型立式或卧式车床和镗床有以上几点问题，也有采用托辊支撑大型回转体，电机驱动托辊转动，从而利用摩擦力带动回转体旋转，使用进给量可调的铣削头对回转体进行加工的方案,但由于回转体外圆有形位误差，刀具与回转体相对位置一直在变化，很难对刀具进给量进行精确控制，使得回转体内外轮廓加工精度难以得到保证。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而进行的，其目的之一是提供一种可用于大型回转体精密加工的机床，该机床结构紧凑、尺寸较小，而且加工精度和加工效率较高，适用于大型回转体的精密加工。

实现本发明目的的技术方案如下。

一种用于中空回转体精密加工的机床，包括：

托辊底座，其上设置有对称布置的至少两个托辊，用于可转动地支撑待加工的回转体；

内轮廓加工部分，用于中空回转体内轮廓的加工，其包括支架、横梁、内轮廓加工主轴头、主轴滑台驱动电机、固定底座、可移动底座，其中所述固定底座和可移动底座对置于托辊底座两侧，所述支架立于机床两端，分别固定在可移动底座和固定底座上，所述横梁轴向穿过待加工的回转体，其两端架设在支架上，内轮廓加工主轴头安装在横梁上，主轴滑台驱动电机设置在横梁的一端，内轮廓加工主轴头可在主轴滑台电机的驱动下在横梁上纵向移动，实现对回转体内轮廓的加工；

外轮廓加工部分，用于中空回转体外轮廓的加工，其包括外轮廓加工部分底座、轨道、外轮廓加工主轴头、滑台机构、丝杠及外圆主轴滑台驱动电机组成，其中，所述外轮廓加工部分底座设置在机床底座上，所述轨道安装在机床底座上，外轮廓加工主轴头与滑台机构固定连接，外轮廓主轴滑台驱动电机安装在导轨末端，其可通过丝杠带动滑台机构在导轨上纵向移动，实现回转体外轮廓的加工。

作为本发明的改进，所述外轮廓加工主轴头以及内轮廓加工主轴上安装有位移传感器，分别用于检测回转体外轮廓和内轮廓。

作为本发明的改进，所述机床固定底座上的托辊之间设置有限位块，用于限定回转体的位置。

本发明的主轴头为复合主轴头，既能实现刀具旋转，又能实现主轴垂直方向进给，其垂直方向进给由伺服***控制，主轴头刀具可换，以完成铣削、磨削、钻孔、攻丝等复合加工。

本发明回转件放在托辊上，横梁穿过回转体，固定底座上有限位块，限制回转体纵向移动，托辊由电机带动，靠回转体自重及摩擦带动回转体转动。

本发明外圆加工机床上滑台固定在两个基座上，滑台上装有专用铣削动力头加工回转件外轮廓。滑台可在横向及垂直方向移动以满足对不同直径回转体的加工。

本发明的目的之二在于提供一种利用上述机床进行回转体轮廓精加工的方法，其通过对回转体轮廓与标准轮廓的实时检测和比较，确定加工误差，从而控制刀具进给量实现精密加工，该方法具体步骤如下：

（1）托辊带动回转体旋转，使用位移传感器检测刀具加工位置处回转体轮廓的半径误差，获得回转体轮廓曲线；

（2）对回转体轮廓曲线均匀采样，确定出加工回转体基准轮廓；

（3）计算回转体轮廓上的点到基准轮廓的相应点的距离，得到各点的轮廓半径误差；

（4）根据所述轮廓半径误差确定刀具的进给量，进而获得刀具在回转体轮廓不同位置的进给量，根据上述进给量控制加工主轴对回转体轮廓进行精密加工。

作为本发明的改进，所述确定回转体横截面的加工基准轮廓的具体过程为：

在待加工的轮廓圆弧上获得n个均匀采样点P₀,P₁,P₂……P_n-1，其中P₀点的半径坐标为r₀，角坐标为0，点P₀的坐标记为（r₀，0），任意第i个点P_i的半径坐标为r₀+Δr_i（Δr_i为点P_i相对点P₀的半径误差），角坐标是θ_i＝2iπ/n，设该点P_i的平面直角坐标为（x_i,y_i）,则x_i＝(r₀+Δr_i)cosθ_i，y_i＝(r₀+Δr_i)sinθ_i，根据下述公式即可得到轮廓基准圆的圆心O₁（a，b）：

$\left\{\begin{array}{c}a\≈\frac{2}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\\ b\≈\frac{2}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\end{array}\right.$

基准圆半径根据加工目标确定，即基准圆半径等于加工目标圆半径r。

作为本发明的进一步改进，所述的得到各刀位点的轮廓半径误差的具体过程为：

工件轮廓上的任一点P_i（x_i,y_i）到基准圆圆心的距离可用公式

算出，其中x_i＝(r₀+Δri)cosθ_i，y_i＝(r₀+Δri)sinθ_i，则刀具在点P_i和点P_i+1处的轮廓半径误差为Z_i＝d_i－r，即为轮廓半径误差刀位补偿值。

作为本发明的改进，该方法可用于中空回转体的外轮廓或内轮廓的加工，回转体轮廓曲线相应为中空回转体的外轮廓曲线或内轮廓曲线，回转体基准轮廓为回转体基准外轮廓或基准内轮廓。

本发明采用伺服控制***控制刀具进给量的变化，当检测装置确定基准圆和刀位补偿值后，刀具开始接触回转体，此时位移传感器保持工作，位移传感器实时检测回转体上工件加工位置的半径误差，对比记录器中已有回转体横截面轮廓曲线确定刀具加工处对应曲线上的位置，考虑信号传输时间及控制***的滞后现象，位移传感器检测到半径误差至刀具进给量的变化存在时间延迟，根据延迟时间Δt，某时刻刀具进给量应由Δt时间前的轮廓半径误差确定。考虑到加工余量大，对回转体的加工须分层进行，根据刀具进给量，加工后的轮廓半径误差由计算可得并更新存储区的曲线，直至将轮廓曲线加工成基准圆。完成一段圆弧加工后，主轴快速退刀，由滑台带动纵向移动一个步长，重复以上检测与加工过程。

本发明的优点与效果是：

1.本发明采用位移传感器对回转体进行扫描测量并应用最小二乘法计算出工件轮廓中心和标准圆轮廓，以标准圆为基准确定回转体各处加工余量。由伺服控制***控制刀具进给，先加工回转体两端外圆成标准圆轮廓，然后移托辊至标准圆轮廓再进行剩余部分加工，具有很高的加工精度和加工效率。

2.本发明针对现在大型回转体内孔加工工艺的缺点，内孔加工机床一端基座可移动，加工前先移去一端底座，横梁穿过工件后活动底座移回固定，横梁结构保证主轴头支撑部分刚性，托辊带动工件进行旋转对工件进行铣削加工，不需要大型夹具，成本低、易于实施，另外切削主运动由刀具旋转代替工件旋转，极大地降低了能耗。

3.采用此方法加工大型回转体，可以避免使用大型立式或卧式车床，利用通用的托辊、带横梁的铣床、检测装置、伺服控制***即可完成大型回转体的精密加工。此套装备易于拆卸、组装，可实现对大型回转体的现场维护与精密加工。

附图说明

图1为回转体横截面轮廓曲线示意图。

图2为回转体横截面轮廓曲线采样点及计算所得基准圆示意图。

图3为本发明机床的结构主视图。

图4为本发明机床的结构俯视图。

图中，1.支架，2.横梁，3.内轮廓加工主轴头，4.限位块，5.底座，6.轨道，7.外圆加工主轴，8.位移传感器，9.主轴滑台驱动电机，10.固定底座，11.回转体，12.托辊，13.托辊底座，14.可移动底座，15.滑台机构，16.丝杠，17.外圆主轴滑台驱动电机。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做详细说明。

如图3、图4所示，本实施例的机床包括有托辊12，限位块4，内孔加工部分，外圆加工部分，位移传感器设备和伺服控制***。

内孔加工部分有支架1、横梁2、内轮廓加工主轴头3、主轴滑台驱动电机9、固定底座10、可移动底座14。主轴滑台驱动电机9固定在横梁2的末端，内轮廓加工主轴头3安装在横梁上，内轮廓加工主轴头3可在主轴滑台电机9的驱动下在横梁2上纵向移动，横梁2架设在支架1上，支架1固定在可移动底座14和固定底座10上。

外圆加工部分由底座5、轨道6、外圆加工主轴7、滑台机构15、丝杆16、外圆主轴滑台驱动电机17组成。轨道6安装在机床底座5上，外圆加工主轴7与滑台机构15固定连接，滑台机构15可在导轨6上纵向移动，外圆主轴滑台驱动电机17安装在导轨末端，可通过丝杆16带动滑台机构15纵向移动。

位移传感器8安装在外轮廓加工机床主轴外壳上，作用是实现回转体外轮廓的扫描检测。

如图3、图4所示，回转体11由托辊12支撑，工件由于重力紧贴托辊12，托辊12与机床部分分离，其相应托辊距离可调以实现对不同直径回转体的支撑。托辊12由电机带动同步转动，回转体11在托辊上由于受到摩擦力驱动低速旋转。

内孔加工机床部分由固定底座10、可移动底座14、支柱1、横梁2、内轮廓加工主轴头3、主轴滑台驱动电机9、限位块4组成。加工回转体11时，先将可移动底座14移开，横梁2穿过回转体11，限位块抵住回转体11以限制其纵向移动，移回底座14并固定。内轮廓加工主轴头3装在滑台上，滑台连接在所述横梁2上，主轴滑台驱动电机9驱动滚珠丝杆从而带动复合主轴头纵向移动。内轮廓加工主轴头是复合主轴头，其既能实现刀具旋转，又能实现主轴垂直方向进给，其垂直方向进给由伺服***控制，主轴头刀具可换以完成铣削、磨削、钻孔、攻丝等复合加工。本发明外圆加工机床由底座5、横梁6、外圆加工主轴7、外圆主轴滑台驱动电机17组成。外圆加工主轴7装在横梁6上，传动装置驱动丝杆旋转带动外圆加工主轴7在横梁6上做纵向移动，横梁6可在横向及垂直方向移动，以满足对不同直径回转体外圆的加工。

本实施例中以回转体外轮廓为例，具体描述大型回转体精密加工检测和误差补偿方法的步骤，对中空回转体的内轮廓，其加工检测和误差补偿与外轮廓与此类似。

(1)检测回转体外圆轮廓形位数据

位移传感器固定在外轮廓加工机床的主轴外壳上，刀具进行加工前，主轴固定，启动电机驱动托辊旋转，依靠大型回转体的重力即摩擦力，托辊带动回转体旋转，以某一位置为半径基准点，使用位移传感器对回转体的外圆进行扫描。其半径变化由传感器测出经计算机内置电路进行转换、滤波、放大，通过记录器描绘出被测回转体旋转时刀位处回转体的横截面轮廓曲线。回转体横截面的实际轮廓可以看成是以2π为周期的不规则曲线,曲线R（θ）在极坐标中描述如图1。

(2)基准圆获取

本实施例中的利用最小二乘法获取基准圆。最小二乘圆法是通过寻找一个理想的圆，使实际轮廓上各点到理想圆的圆周的距离平方和最小。

如图2，在轮廓圆弧上获得n个均匀采样点P₀,P₁,P₂......P_n-1。P₀点的半径坐标为r₀，角坐标为0，点P₀的坐标即为（r₀，0）。第i个点P_i的半径坐标为r₀+Δr_i（Δr_i为点P_i相对点P₀的半径误差），角坐标是θ_i＝2iπ/n，点Pi的平面直角坐标为（x_i,y_i）,其中x_i＝(r₀+Δr_i)cosθ_i，y_i＝(r₀+Δr_i)sinθ_i。i从0到n-1取值。最小二乘圆的圆心坐标a，b的近似式为：

$\left\{\begin{array}{c}a\≈\frac{2}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\\ b\≈\frac{2}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\end{array}\right.$

基准圆半径根据加工目标确定，即基准圆半径等于加工目标圆半径r。

采样点的数量n受加工精度与计算复杂度制约，可根据现场加工精度要求来确定。由上式计算得到基准圆的圆心O₁（a，b），根据回转体的加工目标半径r即可确定回转体加工的基准圆。

(3)计算轮廓半径误差

当对回转体进行加工时，位移传感器实时监测刀位处半径误差数据并存入存储器，工件轮廓上的点P_i到基准圆圆心的距离可用公式

算出，其中x_i＝(r₀+Δri)cosθ_i，y_i＝(r₀+Δri)sinθ_i，则刀具在点P_i和点P_i+1之间的轮廓半径误差为Zi＝d_i－r。

(4)确定刀具的进给量对回转体外轮廓进行精密加工

根据轮廓半径误差Zi确定刀具的刀位补偿量，进而获得刀具在回转体轮廓不同刀位点的进给量，根据进给量控制外轮廓加工机床主轴7对回转体外轮廓进行精确加工，即可实现对回转体轮廓的精密加工。

Claims (9)

1.一种用于中空回转体精密加工的机床，包括：

托辊底座（13），其上设置有对称布置的至少两个托辊（12），用于可转动地支撑待加工的中空回转体（11）；

内轮廓加工部分，用于中空回转体内轮廓的加工，其包括支架（1）、横梁（2）、内轮廓加工主轴头（3）、主轴滑台驱动电机（9）、固定底座（10）和可移动底座（14），其中所述固定底座（10）和可移动底座（14）对置于托辊底座（13）两侧，所述支架（1）立于机床两端，分别固定在可移动底座（14）和固定底座（10）上，所述横梁（2）轴向穿过待加工的中空回转体（11），其两端架设在支架（1）上，内轮廓加工主轴头（3）安装在横梁（2）上，主轴滑台驱动电机（9）设置在横梁（2）的一端，内轮廓加工主轴头（3）可在主轴滑台驱动电机（9）的驱动下在横梁（2）上轴向移动，实现对中空回转体内轮廓的加工；

外轮廓加工部分，用于中空回转体外轮廓的加工，其包括外轮廓加工底座（5）、轨道（6）、外轮廓加工主轴头（7）、滑台机构（15）、丝杠（16）及外轮廓主轴滑台驱动电机（17），其中，所述轨道（6）安装在外轮廓加工底座（5）上，外轮廓加工主轴头（7）与滑台机构（15）固定连接，外轮廓主轴滑台驱动电机（17）安装在轨道（6）末端，其可通过丝杠（16）带动滑台机构（15）在轨道（6）上纵向移动，实现中空回转体外轮廓的加工。

2.根据权利要求1所述的一种用于中空回转体精密加工的机床，其特征在于，所述外轮廓加工主轴头（7）以及内轮廓加工主轴头（3）上安装有位移传感器（8），用于中空回转体（11）的外轮廓和内轮廓的轮廓检测。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于中空回转体精密加工的机床，其特征在于，所述托辊（12）之间设置有限位块（4），用于对中空回转体（11）进行限位。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于中空回转体精密加工的机床，其特征在于，所述的外轮廓加工主轴头（7）和内轮廓加工主轴头（3）均安装有刀具，该刀具可实现沿主轴的旋转或主轴垂直方向的进给。

5.应用权利要求1-4之一所述的机床进行回转体轮廓精加工的方法，其通过将回转体轮廓与标准轮廓的实时检测和比较，确定加工误差，从而控制刀具进给量对回转体轮廓进行精加工，该方法具体步骤如下：

（1）托辊（12）带动回转体旋转，通过外轮廓加工主轴头（7）或内轮廓加工主轴头（3）上的位移传感器（8）检测刀具加工位置处回转体（11）轮廓的半径误差，获得回转体轮廓曲线；

（2）对所述的回转体轮廓曲线进行均匀采样，获得加工回转体基准轮廓；

（3）计算回转体轮廓上的点到基准轮廓的相应点的距离，得到各点的轮廓半径误差；

（4）根据所述轮廓半径误差获得刀具的进给量，进而获得刀具在回转体轮廓不同位置的进给量，根据上述进给量控制刀具对回转体轮廓进行精密加工。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中获得回转体基准轮廓的具体过程为：

首先，在待加工的轮廓曲线上获得n个均匀采样点P₀，P₁，P₂，…，P_n-1；

然后，获得各采样点的坐标值：令其中第一个采样点P₀的半径坐标为r₀，角坐标为0，点P₀的坐标记为（r₀,0），则任意第i个点P_i的半径坐标为r₀+Δr_i，Δr_i为点P_i相对点P₀的半径之差，角坐标是θ_i＝2iπ/n，点P_i的平面直角坐标为(x_i，y_i)，则x_i＝(r₀+Δr_i)cosθ_i，y_i＝(r₀+Δr_i)sinθ_i;

最后，利用下述公式得到轮廓基准圆的圆心O₁（a，b）：

$\left\{\begin{array}{c}a\≈\frac{2}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\\ b\≈\frac{2}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\end{array}\right.$

该基准圆半径等于加工目标圆半径r。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，得到各点的轮廓半径误差的具体过程为：

首先，确定工件轮廓上的任一点Р_i（x_i,y_i）到基准圆圆心O₁的距离，其通过如下公式计算得到：

$d_i=\stackrel{\‾}{O_1{P}_1}=\sqrt{{(x_i-a)}^2+{(y_i-b)}^2}$

其中x_i＝(r₀+Δri)cosθ_i，y_i＝(r₀+Δri)sinθ_i；

则刀具在点Р_i处的轮廓半径误差为Z_i＝d_i-r。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述刀具的进给量即为轮廓半径误差Z_i的绝对值，其中Z_i＝d_i-r。

9.根据权利要求5、6和8之一所述的方法，其特征在于，所述的回转体为中空回转体，所述的回转体轮廓可以为回转体外轮廓或内轮廓。

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