CN101987365A - 一种数控双动力张减机轧辊车削中心及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控双动力张减机轧辊车削中心，由床身及立柱、工件传送装置、双动力主传动装置、数控底座滑台、数控刀架、自动测量装置、工件夹紧装置、刀具系统、排屑装置、测量基准校正器、工件轴向定心装置、自动润滑装置、电控部分和液压部分组成。具有集数控型、智能化、高效率、高精度、大规格为一体的数控重型双动力张减机轧辊车削中心，用于加工两轧辊定径机、张减机和脱管机的轧辊孔型，以及加工方法。

Description

一种数控双动力张减机轧辊车削中心及其加工方法

技术领域

本发明涉及数控重型机床领域，更确切地说是一种数控双动力张减机轧辊车削中心及其加工中心。

背景技术

两动力辊张减机是无缝钢管轧制新工艺生产线的重要设备，也是易耗设备，由于钢管在热轧过程中产生的高温、高压和磨损，因此，轧制钢管用的轧辊轧制孔型需要定期检验和加工修复。

两动力辊张减机架的特殊结构是：将两个轧辊安装在一个方形的机架壳体内部且上下平行布置，中心距可在一定范围内进行调整，每个轧辊上都有根据张力减径原理轧制无缝管所需的不同曲率的孔型，两辊孔型上下合一形成完整孔型。两辊的旋转运动分别由独立的动力驱动。

由于两动力辊张减机架的特殊结构，通常的加工方法是将方机架壳体拆卸解体，取出两个轧辊用卧式车床分别去加工孔型，在加工过程中，需要在车床上多处装卡固定来完成加工，单个轧辊加工完成后再装回机架壳体内，由于两个轧辊加工时定位基准不同，同时加工和装配采用的定位基准也不同，最终造成张力减径孔型的系统综合误差大、机架的拆装工作复杂繁琐、轧辊加工周期长、工作效率低、直接影响无缝钢管的轧制质量。为了解决轧辊加工中遇到的以上问题，实现两个轧辊在机架内组合一体，整体加工并测量，研制开发了一种数控双动力张减机轧辊车削中心。

发明内容：

为了提高钢管轧辊在车削过程中的精度和加工效率，本发明提供了以下技术方案。

所述的数控双动力张减机轧辊车削中心，包括床身及立柱、工件传送装置、双动力主传动装置、数控底座滑台、数控刀架、自动测量装置、工件夹紧装置、刀具系统、排屑装置、测量基准校正器、工件轴向定心装置、自动润滑装置、电控部分和液压部分组成。

所述的工件输送装置可实现待加工机架工件在切削区外整体装载夹紧定位，控制装载台承载工件沿传送轨道移动进入切削区，经加工、测量合格后，控制装载台沿传送轨道将工件移出切削区。

所述的双动力主传动装置可实现双动力结合子与工件双外齿轮脱开及啮合并带动两个独立驱动的轧辊旋转完成加工主运动的功能；

所述的双动力主传动装置的双驱动结合子与工件双外齿轮间的啮合具有自动调心功能；

所述的双动力主传动装置的转速和扭矩输出具有无级连续稳定输出功能；

所述的数控底座滑台和数控刀架可带动刀具系统完成X、Y、Z轴直线差补运动功能；

所述的数控底座滑台和数控刀架X轴、Y轴和Z轴为交流伺服进给轴，具有自动、准确及恒扭矩输出功能；

所述的数控底座滑台和数控刀架X轴、Y轴和Z轴均加海德汉光栅尺，以实现全闭环控制；

所述的自动测量装置，可对工件进行加工前和加工后自动测量；

所述的在数控操作平台上开发专用操作界面和专用程序，如：工件蓝图自动编程功能，工件磨耗检测分析确认最佳切削用量功能，工件批量加工编号数据库储存记忆功能，加工合格产品自动测量结果数据自动打印功能，使得机床的操作简单化。

所述的数控系统功能为

A、数控系统可方便灵活的使机床各加工动作实现自动循环或半自动控制的灵活转换功能；

B、数控系统具有反向间隙、螺距误差、刀具位置和刀具长度等补偿功能；

C、数控系统具有手动编程和自动编程、可绝对值编程也可相对值编程的功能；

D、数控系统具有手轮控制进给功能，故障诊断和文本报警功能；

E、数控系统具有汉字显示功能，内置PLC功能；

F、可控制进给运动伺服轴三轴插补运动和主轴同步联动，还可控制刀具系统自动分度旋转换刀和自动测量；

G、螺纹加工循环、工件复杂曲面/型面的循环加工、顺/逆时针球面循环加工等、回起刀原点位置校验、机床坐标系零点位置校验；

H、编辑加工程序，包括：程序编辑、程序检索、程序拷贝、程序删除及清程序区；

J、具有批加工子程序的调用和返回功能；

L、刀具补偿参数设置和存储数量大于100个(半径、长度)；

M、具有外接测量系统、手持控制单元、打印机、编程器等扩展功能。

附图说明

图1为加工中心结构总图

图2为加工中心左视图

具体实施方式

有关本发明的特征与实际应用，现结合附图作最佳实施例详细说明如下：

本发明的一种数控双动力张减机轧辊车削中心如图1和图2所示，工件1、轧辊轴向定位装置2、调整走台3、工件自动输送装置4、刀架操作平台5、自动排屑装置6、双动力主传动装置7、坐标系测量基准校正器8、压下夹紧装置9、多工位自动更换刀具系统10、数控刀架11、操作控制按钮站12、数控底座滑台13、床身立柱14、液压系统15和电控系统16。

所述的工件1为被加工工件，包括1个方形的固定框和2件被加工的轧辊形成一个完整的工件。

所述的轧辊轴向定心装置2，由于工件机架内部的两个独立传动的轧辊的回转精度免受支撑元件的回转间隙的影响，在工件输送装置上设置一个立柱，上面安装两个正对工件轧辊的轴向顶紧装置，装置内有机动伸缩运动的套筒顶尖机构，当需要对工件轧辊进行轴向顶紧时，打开机架端盖露出轧辊轴端中心孔，驱动工件轴向定心装置内的机动伸缩运动的套筒顶尖顶紧工件；完成加工后驱动套筒顶尖机动后退放松工件。

所述的调整走台3为主传动装置2的操作台。

所述的工件自动输送装置4装置由一个机架装载台和一个传送道组成，装载台用于安放待加工机架，采用液压油缸推动完成工件输入输出动作，输送装置的装载台内部的正面和侧面夹紧分别设有六个液压油缸并通过单独的控制按钮完成工件的夹紧和放松，在切削区外完成工件夹紧定位，然后控制装载台沿传送轨道移动进入切削区，经加工、测量合格后，控制装载台沿传送轨道将工件移出切削区。

所述的刀架操作平台5是用于人员进行数控刀架调整和测量的操作平台。

自动排屑装置6位于床身和工件下方，可将加工出的铁屑通过平板链式金属传送带自动排入铁屑收集箱。

所述的双动力主传动装置7为工件的双轧辊旋转(主运动)提供动力，它由一台交流变频电机驱动，经过机械传动运动分配和换向机构、齿轮传动和内齿轮套与工件机架上两个鼓形齿轮相啮合，同时带动两个轧辊同步同方向旋转完成主运动。主传动装置的双驱动结合子与工件双外齿轮间的啮合具有自动调心功能；

坐标系测量基准校正器8安装于床身立柱的中心部位。由活动检棒、导向套、液压缸和发讯装置组成。用于对工件的加工和测量基准进行校正。校正器的活动检棒伸出运动由液压缸推动，到达极限位置时，活动检棒和导向套之间的圆锥面紧密结合定位，测量基准校正完毕后，检棒在液压油缸的推动下缩回到导向套内部，在伸缩两个极限位置均有发讯装置为数控系统发出讯号。

所述的压下夹紧装置9由座体、移动套筒、套筒运动液压油缸、套筒锁紧机构和锁紧液压油缸等构成，工件夹紧装置安装于床身立柱上方，用于对工件进行从上向下的夹紧固定，当工件被输送装置送入切削区后，液压油缸推动套筒带动夹紧钳下压运动并压紧工件后，套筒锁紧机构锁紧套筒，加工过程中不能有任何松动环节。完成加工后套筒锁紧机构放松套筒，液压油缸拉动套筒带动夹紧钳上升运动并放松工件，液压缸的动作由液压换向阀控制。

所述的多工位自动更换刀具系统10，以数控刀架为机床的主体件，可实现机床X、Y、Z轴方向直线伺服进给插补加工及工件检测运动。由床身底座及纵向导轨、纵向大拖板及进给驱动装置、横向大拖板及进给驱动装置、垂直立柱及进给驱动装置、刀具拖板及四工位刀具系统等构成。三个直线伺服进给轴均分别由一台交流伺服电机经降速机构驱动滚珠丝杠带动各运动部件做直线进给运动。各进给轴线均有安全限位保护装置，各轴为镶钢直线导轨，各进给轴线均加德国海德汉光栅尺作为位置反馈元件，以实现全闭环控制。

床身底座导轨对纵向大拖板起支撑、定位和导向作用。伺服电机通过高精度机械传动机构、滚珠丝杠、螺母带动大拖板沿纵向镶钢导轨移动，位置测量元件-光栅尺测量并反馈控制大拖板的移动。

横向大拖板安装于纵向大拖板之上，对垂直立柱起支撑、定位和导向作用。伺服电机通过高精度机械传动机构、滚珠丝杠、螺母带动横向大拖板和立柱沿横向镶钢导轨移动，位置测量元件-光栅尺测量并反馈控制立柱的移动。

垂直立柱安装于横向大拖板之上，对刀架垂直运动拖板起定位和导向作用。通过伺服电机、高精度机械传动机构、滚珠丝杠、螺母和液压平衡油缸带动刀架垂直运动拖板沿立柱导轨垂直移动，位置测量元件-光栅尺测量并反馈控制刀盘拖板的移动。

四工位旋转定位刀盘装于刀具拖板上，刀架可以实现四工位旋转分度，其中包含三个切削刀位和一个测量工位。

所述的数控刀架11由意大利DUPLOMATIC数控转位刀架、瑞典“SANDVIK”刀具系统组成。四工位刀架中有两个工位分别安装不同轧辊的车削刀具，另一个工位安装轧辊孔型自动测量装置。

所述的操作控制按钮站12采用立柱式集中操作按钮站及数控10.4英寸彩色液晶显示器，数控操作面板控制按钮符号简单、清晰、操作简单方便、安全。将工件传送、定位夹紧、自动测量、加工动作循环等机床的主运动、进给运动、辅助运动和检测运动集中在一起完成操作。

所述的数控底座滑台13，主要用于实现刀具和测头沿空间坐标系中X轴、Z轴的水平方向运动，完成对工件轧辊的加工和检测动作。

所述的床身立柱14，主要用于实现刀具和测头沿空间坐标系中Y轴的垂直方向运动，完成对工件轧辊的加工和检测动作。

所述的液压系统15，采用自动控制，设有独立的油箱。实现工件在传送装置内部的正面和侧面夹紧、工件传送装置移动及定位、工件下压夹紧装置的夹紧及放松、工件下压夹紧装置的套筒夹紧及放松、测量基准校正器的伸出及缩回、Y轴垂直运动的平衡控制等动作。系统中液压泵、控制阀采用进口的REXROTH元件，检测元件和过滤器采用HYDAC产品。

所述的电控系统16主传动系统采用西门子6SE70交流变频调速装置，配备YVP型交流变频主电机，通过调速装置对主传动电机实现额定转速以下的恒扭矩调速，以及额定转速至最高转速内的恒功率调速。

数控系统采用西门子840D系统，可分别控制X、Y、Z三个直线进给轴的插补进给运动和交流调速主轴S轴。并自编专机操作界面和加工程序控制X、Y、Z轴和回转刀架配合实现对机架轧辊的精确加工；雷尼绍测量头在线自动检测；最终打印出精度报告。整个电气系统分装在电气控制柜和操作台中，为消除环境温度、湿度对电气系统的影响，电气控制柜安装有空调系统。为方便操作者对设备进行操作，除固定的集中操作台外，还配备了外置移动手持操作单元。

进给系统的驱动部分采用交流伺服驱动模块，分别驱动X轴、Y轴和Z轴的交流伺服电机，电机各配有内置编码器，各进给轴均加德国“海德汉”光栅尺，对各进给轴形成位置全闭环控制。各轴设有正负限位、参考点及急停行程开关等多道安全保护。

所述的轧辊车削加工中心的加工方法为：将轧辊机架装到工件输送装置上，按工件夹紧按钮，紧固后按传动工件按钮，工件送到加工位置，此时主传动两个齿轮套分别插入机架内的两个旋转轴内，控制油缸对工件进行夹紧，双动力主传动系统开始带动两个轧辊旋转。

手动方式移动X、Y、Z轴接近欲加工轧辊的表面，输入进给量按预输入的加工程序对弧面进行预切削，测量余量、测量轧辊孔型弧面误差，输入修正数据并输入粗加工、精加工数据后启动程序完成第一个轧辊的加工。在轧辊孔型弧面母线均匀取9个点测量各点数值与理论曲线模型进行比较，要求每两个点误差不超过+/-0.04mm。第二轧辊按一道粗加工工序、两道精加工工序按以上过程完成加工。

分别对两轧辊进行测量，计算出各圆弧的中心，必要时在第二刀精车工序前对参数进行修正。经加工检测合格后，打印结果。

控制夹紧的油缸放松，控制工件输送装置移出工件，加工完毕。

Claims (15)

1.一种数控双动力张减机轧辊车削中心，其特征是：由床身及立柱、工件传送装置、双动力主传动装置、数控底座滑台、数控刀架、自动测量装置、工件夹紧装置、刀具系统、排屑装置、测量基准校正器、工件轴向定心装置、自动润滑装置、电控部分和液压部分组成。数控底座滑台和数控刀架复合运动来驱动刀具系统及自动测量装置的切削刀头和测量头分别沿各自的X、Y、Z轴作空间三维立体坐标的移动，对工件进行加工和检测。自动测量装置可对2个加工工件分别进行加工前和加工后的测量，并将测量结果存入数据库或者打印，工件传送装置可将两个加工件固定在加工中心上，并在双动力主传动装置的动力驱动下完成车削主运动旋转，进给运动的切削刀头根据测得的数据进行分别加工并一次加工成型。

2.权利要求书1所述的数控双动力张减机轧辊车削中心，其特征是：工件输送装置和主传动装置可实现双动力结合子与工件双外齿轮脱开及啮合并带动两个独立驱动的轧辊旋转完成加工主运动的功能；

3.权利要求书1所述的数控双动力张减机轧辊车削中心，其特征是：所述的主传动装置的双驱动结合子与工件双外齿轮间的啮合具有自动调心功能；

4.权利要求书1所述的数控双动力张减机轧辊车削中心，其特征是：所述的主传动装置的转速和扭矩输出具有无级连续稳定输出功能；

5.权利要求书1所述的数控双动力张减机轧辊车削中心，其特征是：所述的数控底座滑台和数控刀架可带动刀具系统和测量系统完成X、Y、Z轴直线差补运动功能；

6.权利要求书1所述的数控双动力张减机轧辊车削中心，其特征是：刀架X轴、Y轴和Z轴为交流伺服进给轴，具有自动、精确及恒扭矩输出功能；

7.权利要求书1所述的数控双动力张减机轧辊车削中心，其特征是：所述的刀架X轴、Y轴和Z轴均加装德国“海德汉”光栅尺，以实现全闭环控制；

8.权利要求书1所述的数控双动力张减机轧辊车削中心，其特征是：所述的自动测量装置，可对工件进行加工前和加工后自动测量；

9.权利要求书1所述的数控双动力张减机轧辊车削中心，其特征是：所述的在数控操作平台上开发专用操作界面和专用程序，如：工件蓝图自动编程功能，工件磨耗检测分析确认最佳切削用量功能，工件批量加工编号数据库储存记忆功能，加工合格产品自动测量结果数据自动打印功能，使得机床的操作简单化。

10.权利要求书9所述的数控操作平台，其特征是：

A、数控系统可方便灵活的使机床各加工动作实现自动循环或半自动控制的灵活转换功能；

B、数控系统具有反向间隙、螺距误差、刀具位置和刀具长度等补偿功能；

C、数控系统具有手动编程和自动输入、可绝对值编程也可相对编程的功能；

D、数控系统具有手轮控制进给功能，故障诊断和文本报警功能；

E、数控系统具有汉字显示功能，内置PLC功能；

F、可控制进给运动伺服轴三轴插补运动和主轴同步联动，还可控制刀具系统自动分度旋转换刀和自动测量；

G、螺纹加工循环、工件复杂曲面/型面的循环加工、顺/逆时针球面循环加工等、回起刀原点位置校验、机床坐标系零点位置校验；

H、编辑加工程序，包括：程序编辑、程序检索、程序拷贝、程序删除及清程序区；

J、具有批加工子程序的调用和返回功能；

K、刀具补偿参数设置和存储数量大于100个(半径、长度)；

L、具有外接测量系统、手持控制单元、打印机、编程器等扩展功能。

11.权利要求书1所述的数控双动力张减机轧辊车削中心，其特征是：坐标系测量基准校正器由活动检棒、导向套、液压缸和发讯装置组成，安装于床身立柱的中心部位，用于对工件的加工和测量基准进行校正，校正器的活动检棒伸出运动由液压缸推动，到达极限位置时，活动检棒和导向套之间的圆锥面紧密结合定位，测量基准校正完毕后，检棒在液压油缸的推动下缩回到导向套内部，在伸缩两个极限位置均有发讯装置为数控系统发出讯号。

12.权利要求书1所述的数控双动力张减机轧辊车削中心，其特征是：自动测量装置的专用自动测量装置由英国″雷尼召″红宝石测头、加长型陶瓷探针和感应传感器构成，安装于四工位数控刀架上，可对工件进行磨耗检测分析确认最佳切削用量及加工成品尺寸的最终确认提供保证、测量软件与数控系统结合可对工件进行空间三坐标精确测量，测量结果存入数据库或打印。

13.权利要求书1所述的数控双动力张减机轧辊车削中心，其特征是：工件输送装置由一个机架装载台和一个传送道组成，装载台用于安放待加工机架，采用液压油缸推动完成工件输入输出动作，输送装置的装载台内部的正面和侧面夹紧分别设有六个液压油缸并通过单独的控制按钮完成工件的夹紧和放松，在切削区外完成工件夹紧定位，然后控制装载台沿传送轨道移动进入切削区，经加工、测量合格后，控制装载台沿传送轨道将工件移出切削区。

14.权利要求书1所述的数控双动力张减机轧辊车削中心，其特征是：

A、主传动系统采用西门子6SE70交流变频调速装置，配备YVP型交流变频主电机，通过调速装置对主传动电机实现额定转速以下的恒扭矩调速，以及额定转速至最高转速内的恒功率调速；

B、数控系统采用西门子840D系统，可分别控制X、Y、Z三个直线进给轴的运动和交流调速主轴S轴。并自编专机操作界面和加工程序控制X、Y、Z伺服运动轴和数控回转刀架配合实现对张减机架内轧辊孔型的精确加工；

C、进给系统的驱动部分采用交流伺服驱动模块，分别驱动X轴、Y轴和Z轴的交流伺服电机，电机各配有内置编码器，各进给轴均加德国“海德汉”光栅尺，对各进给轴形成位置全闭环控制。各轴设有正负限位、参考点及急停行程开关等多道安全保护；

D、液压系统采用自动控制，设有独立的油箱，实现工件在传送装置内部的正面和侧面夹紧、工件传送装置移动及定位、工件下压夹紧装置的夹紧及放松、工件下压夹紧装置的套筒夹紧及放松、测量基准校正器的伸出及缩回、Y轴垂直运动的平衡控制等动作，系统中液压油泵、控制阀采用进口的德国REXROTH元件，检测元件和过滤器采用HYDAC产品。

15.权利要求书1所述的数控双动力张减机轧辊车削中心，其特征是：其加工方法为：

A、将轧辊机架装到工件输送装置上，紧固后按传动工件按钮，工件送到加工位置，此时主传动两个齿轮套分别插入机架两个旋转轴内，控制油缸对工件进行夹紧，主传动开始带动两个轧辊旋转；

B、手动方式移动测头在空间坐标系X、Y、Z轴接近欲加工轧辊的表面，并接触轧辊孔型表面采集磨损值或待加工数据，通过与数学模型的理论曲线相比较分析后，输入进给量按预输入的加工程序对弧面进行预切削，测量余量、测量轧辊孔型弧面误差，输入修正数据并输入粗加工、精加工数据后启动程序完成第一个轧辊的加工。在轧辊孔型弧面母线均匀取9个点测量各点数值与数学模型的理论曲线相比较，要求每两个点误差不超过+/-0.04mm。第二个轧辊按一道粗加工、两道精加工按以上过程完成加工。

C、分别对两轧辊进行测量，计算出各圆弧的中心，必要时在第二刀精车前对参数进行修正；

D、控制夹紧的油缸放松，控制工件输送装置移出工件，加工完毕。

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