CN103143759A - 一种大型轴类工件的分度加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型轴类工件的分度加工装置及方法，分度加工装置，包括床身、设于床身上的前、后支撑装置、分度装置、至少一个检测工件转动角度的圆光栅、设于床身至少一侧的导轨、滑动设于各自导轨上的数控机床、PLC，通过在前、后支撑装置内实现静压支撑，并由前、后两圆光栅检测、控制工件分度时的精度，本发明能提高分度定位的准确性和稳定性，加工装置的磨损小，保证了产品加工的稳定性和精度，大幅提高了合格率。

Description

一种大型轴类工件的分度加工装置及方法

技术领域

   本发明涉及一种大型轴类工件的分度加工装置及方法，特别是用于大型核电转子的分度加工装置及方法。

背景技术

核电转子作为发电机组中的重要部件，具有大尺寸、高精度、价值高的特点，核电转子装完叶片的重量将超过300吨，其转子毛坯价值达到8000万人民币，核电转子镶装叶片的槽为枞树型圆弧轮槽，这种轮槽不会产生应力集中，叶片的装配也十分方便；但这些轮槽加工精度要求高、数量多、加工难度大；当前对于核电转子轮槽的加工，均采用转子两端通过滑动轴承支撑、数控机床分度加工的方式，由于滑动支撑的摩擦力很大，核电转子在分度时的驱动力矩变化较大，分度过程中会出现爬行现象，造成分度定位不准确，导致加工精度大大下降，同时，核电转子具有长度较长、重量大的特点，分度时有应力变化，导致转子两端的分度不一定同步进行，而目前的加工装置对转子两端分度的同步性均无法控制，这也会造成分度定位不准确，其最终的结果将造成核电转子加工不合格，形成严重的报废；且现有的加工方式对分度装置的控制时序、检测到位延时、准停控制等没有优化，加工时机床存在较大应力，导致机械磨损较快，加工装置的精度很快变差，使用寿命较短，产品的精度随之显著降低。

发明内容

 本发明的目的是针对现有技术存在的上述不足，提供一种大型轴类工件的分度加工装置及方法，它能提高分度定位的准确性和稳定性，加工装置的磨损小，保证了产品加工的稳定性和精度，大幅提高了合格率。

为达到上述目的，本发明的一种大型轴类工件的分度加工装置，包括床身、设于床身上的前、后支撑装置、分度装置、至少一个检测工件转动角度的圆光栅、设于床身至少一侧的导轨、滑动设于各自导轨上的数控机床、PLC（可编程控制器），其特征在于前、后支撑装置均包括设于床身上的支撑底座、固定于支撑底座上的静压轴瓦和支架，静压轴瓦均设有凹弧面，并在凹弧面上设有一道以上的凹槽，凹槽在凹弧面底部母线两侧对称设置，前、后静压轴瓦内的凹槽相同设置，在静压轴瓦内设有与每道凹槽相连的油路，每条油路通过管路均与一分配器相连，分配器与油泵相连，在每条管路上均设有调压器和节流阀，在每个支架上固设有卡紧油缸，卡紧油缸的活塞杆与卡紧体固联，卡紧体位于各自的静压轴瓦上方；分度装置包括设于床身上的箱体、伺服电机、通过轴承设于箱体上的蜗杆和分度主轴，蜗杆一端通过联轴器和减速机与伺服电机相连，分度主轴上固设有与蜗杆啮合的蜗轮，分度主轴与一装夹卡盘固联，装夹卡盘设有三个以上可移动的卡爪；伺服电机、圆光栅均与PLC相连。

上述圆光栅可以设于工件的后端和与后支撑装置相邻的支座上；

上述也可以圆光栅设于分度主轴的前端和箱体上；

对工件进行分度加工时，装夹卡盘将工件的一端卡紧；通过油泵和分配器对静压轴瓦内的凹槽通入高压油，凹槽在凹弧面底部母线两侧对称设置，加上调压器和节流阀可保证每道凹槽内的油液作用于轴颈的压力相等并对称分布，在两端轴颈的下方形成静压油膜，前、后静压轴瓦内的凹槽相同设置，使得工件被同步的向上垂直顶升，浮起0.02-0.04毫米即可，此时轴颈与静压轴瓦的凹弧面分离，再通过伺服电机、减速机、联轴器、蜗杆、蜗轮、分度主轴、装夹卡盘带动工件旋转至预设的角度时，静压油膜对工件的摩擦力极小，驱动工件的力矩均匀一致，分度过程中不会出现爬行现象，分度定位准确，加工精度大大提高；PLC和圆光栅可对分度进行精确检测和控制；分度到位后需对工件进行加工时，对凹槽内的油液同时卸压，工件下降，操作卡紧油缸的活塞杆下行，带动卡紧体下降将轴颈固定，数控机床再对工件进行加工；

作为上述分度加工装置的进一步改进，所述分度主轴的前端还固联一卡紧盘，在箱体内还设有两锁紧油缸，两锁紧油缸的活塞杆分别位于卡紧盘的两侧；当分度到位后，两锁紧油缸的活塞杆伸出、以固定卡紧盘，防止工件转动，进一步对分度进行定位，可提高加工精度；

作为上述分度加工装置的进一步改进，在卡紧盘的前端和箱体上还设有圆光栅；对于长度较长、重量大的工件，通过前、后两圆光栅可对工件两端分度的同步性进行检测，避免因装夹、应力、温度等引起的两端分度差，从而提高该类工件的加工精度；

作为上述分度加工装置的进一步改进，在卡紧体内设有导向孔，在支架上设有与导向孔配合的导向销；在支架上还设有上、下两接近开关，上、下接近开关和数控机床的数控系统均与PLC相连；导向销可保证卡紧体作直线移动，上、下接近开关可判断卡紧体与工件的接触情况；

作为上述分度加工装置的进一步改进，在床身两侧均设有导轨，所述数控机床为数控铣床，两数控铣床在工件的两侧对称布置；可用于铣削加工，两数控铣床不仅提高了加工效率，更关键的是由于对称加工，可以减少机床大负荷切削时的震动，进一步提高了加工质量；

作为上述分度加工装置的进一步改进，在床身两侧均设有导轨，所述数控机床为数控钻床，两数控钻床在工件的两侧对称布置；可用于钻孔加工；

本发明的大型轴类工件分度加工方法，包括以下步骤：a）装夹：将工件两端的轴颈置于前、后支撑装置静压轴瓦的凹弧面内，一装夹卡盘通过其上的数个卡爪将工件的前端卡紧；b）设置初始位置：设置分别检测工件两端转动角度的两圆光栅，并将两圆光栅与PLC相连，通过PLC和一圆光栅判断工件是否处于处于分度的预设参考点，如否，对前、后支撑装置静压轴瓦内凹槽通入高压油，在两端轴颈的下方形成静压油膜，将工件向上垂直顶升，使得工件浮起0.02-0.04毫米，轴颈与凹弧面分离， PLC再延时控制伺服电机转动一定角度，伺服电机通过由减速机、联轴器、蜗杆、蜗轮构成的传动机构、分度主轴和装夹卡盘使得工件转动回到参考点；c）锁紧：当工件处于分度的参考点，延时对前、后支撑装置静压轴瓦内凹槽的高压油同时卸压，工件下降，再启动前、后支撑装置上的卡紧油缸，卡紧油缸的活塞杆带动卡紧体下降到位，将工件卡紧；d）分度加工：PLC通过前、后支撑装置上的下接近开关检测到卡紧体下降到位后， PLC再延时启动两数控机床同时对工件进行加工，当一个加工行程完成后，PLC发出指令，两数控机床停止加工并退刀，卡紧油缸的活塞杆上升，如PLC检测到前、后支撑装置上的下接近开关得电，表明卡紧体此时仍卡紧工件的轴颈，操作卡紧油缸使得活塞杆继续上行，卡紧体松开轴颈；如PLC检测到上接近开关得电，则表明卡紧体此时松开轴颈，再次通过两端的静压油膜将工件向上同步的垂直顶升，PLC再延时控制伺服电机转动一定角度，伺服电机通过传动机构、分度主轴和装夹卡盘使得工件转动预设的分度角度，转动到位后，PLC比较两圆光栅检测到的工件两端转动角度，当二者的角度差超过预设值时（如千分之五度）， PLC发出报警信号，再将工件反向转动回到本次分度前的初始位置进行调整，直到角度差未超过预设值；如角度差未超过预设值，转动到位后，延时对前、后支撑装置静压轴瓦内凹槽的高压油同时卸压，工件下降，通过卡紧油缸的活塞杆带动卡紧体下降，将工件卡紧，PLC检测到下接近开关得电后， PLC再延时启动两数控机床同时对工件进行加工，完成一个加工行程；不断重复分度加工工序，可完成对整个工件预设结构的加工；

采用上述加工方法，通过控制时序、检测到位延时，对分度运行条件严格控制，工件在分度时，各种信号的变化不能立即用于控制，可有效消除分度时应力变化，不仅提高加工精度，而且减小了装置的机械磨损，加工装置的使用寿命更长，保证了产品加工的稳定性，大幅提高了合格率；

作为上述分度加工方法的进一步改进，在b)步骤中，当工件转动回到参考点时，PLC将两圆光栅的检测值清零，并在同一工件的加工中只清零一次；通过PLC将伺服电机和数控铣床的驱动设为互锁；通过清零，更能直观的判断以后分度时工件两端的同步性，驱动互锁的设置，可防止误操作，保证加工的安全性；

作为上述分度加工方法的进一步改进，在分度主轴的前端固联一卡紧盘，在卡紧盘的两侧固设锁紧油缸，两锁紧油缸的活塞杆分别位于卡紧盘的两侧，在两锁紧油缸的供油管路上设置液压传感器，该液压传感器与PLC相连；在c）锁紧和d）分度加工工序中，需卡紧工件时，还对两锁紧油缸通入高压油并保持，通过两活塞杆夹紧卡紧盘进一步锁紧工件，防止工件转动，进一步对分度进行定位，可提高加工精度；在d）分度加工工序中，在每次顶升工件之后，再对两锁紧油缸卸压，PLC通过液压传感器检测到液压低于预设值，PLC再延时控制伺服电机转动一定角度；可防止在顶升过程中工件发生转动，进一步提高分度的准确性；

综上所述，本发明能提高分度定位的准确性和稳定性，加工装置的磨损小，保证了产品加工的稳定性和精度，大幅提高了合格率。

附图说明

图1为本发明分度加工装置实施例的立体图。

图2为图1中前、后支撑装置的主视图。

图3为图2中静压轴瓦的主视图。

图4为图3的俯视图。

图5为前、后支撑装置的液压原理图。

图6为图1中分度装置的主视图。

图7为图6的A-A剖视图。

具体实施方式

下面结合附图、以核电转子的加工为例对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图7所示，该大型轴类工件的分度加工装置，包括床身1、设于床身1上的前、后支撑装置2、分度装置3、两个检测工件转动角度的圆光栅4和5、设于床身两侧的导轨6、滑动设于各自导轨6上的数控铣床7、PLC（未示出），前、后支撑装置2均包括设于床身1上的支撑底座8、固定于支撑底座8上的静压轴瓦9和支架10，静压轴瓦9均设有凹弧面，并在凹弧面上设有四道凹槽11，凹槽11在凹弧面底部母线两侧对称设置，前、后静压轴瓦9内的凹槽11相同设置，在静压轴瓦9内设有与每道凹槽11相连的油路12，每条油路12通过管路13均与一分配器14相连，分配器14与油泵15相连，在每条管路13上均设有调压器16和节流阀18，在每个支架10上固设有卡紧油缸19，卡紧油缸19的活塞杆与卡紧体20固联，卡紧体20位于各自的静压轴瓦9上方，在卡紧体20内设有导向孔，在支架10上设有与导向孔配合的导向销21；在支架10上还设有上、下接近开关22、23，在卡紧体20上还布置有铜板24，防止卡紧时拉伤核电转子的轴颈，核电转子25两端的轴颈置于两静压轴瓦9的凹弧面上，圆光栅4设于核电转子25的后端和与后支撑装置2相邻的支座26上，两数控铣床7在核电转子25两侧对称布置；分度装置3包括设于床身1上的箱体27、伺服电机28、通过轴承设于箱体27上的蜗杆29和分度主轴31，蜗杆29一端通过联轴器32和减速机33与伺服电机28相连，分度主轴31上固设有与蜗杆29啮合的蜗轮30，分度主轴31与一装夹卡盘34固联，装夹卡盘34设有四个可移动的卡爪35，所述分度主轴31的前端还固联一卡紧盘36，在箱体27内还设有两锁紧油缸38，两锁紧油缸38的活塞杆分别位于卡紧盘36的两侧，在两锁紧油缸38的供油管路上设置液压传感器（未示出），圆光栅5设于卡紧盘36的前端和箱体27上；伺服电机28、两圆光栅4和5、上、下接近开关22、23、液压传感器和两数控铣床7的数控系统均与PLC相连。

应用于上述装置的大型轴类工件分度加工方法，包括以下步骤：a）装夹：将核电转子25两端的轴颈置于前、后支撑装置两静压轴瓦9的凹弧面内，装夹卡盘34通过其上的四个卡爪35将核电转子25的前端卡紧；b）设置初始位置：通过PLC和圆光栅5判断核电转子25是否处于处于分度的预设参考点，如否，通过油泵15、分配器14对前、后静压轴瓦9内凹槽11通入高压油，在两端轴颈的下方形成静压油膜，凹槽11在凹弧面底部母线两侧对称设置，加上调压器16和节流阀18可保证每道凹槽11内的油液作用于轴颈的压力相等并对称分布，在前、后静压轴瓦9内的凹槽相同设置，使得核电转子25被同步的向上垂直顶升，核电转子25浮起0.02-0.04毫米，轴颈与凹弧面分离， PLC再延时数秒控制伺服电机28转动一定角度，伺服电机28通过由减速机33、联轴器32、蜗杆29、蜗轮30构成的传动机构、分度主轴31和装夹卡盘34使得核电转子25转动回到参考点，同时将两圆光栅4、5的检测值清零，并在同一核电转子25的加工中只清零一次；c）锁紧：当核电转子25处于分度的参考点，延时数秒对静压轴瓦9内凹槽11的高压油同时卸压，核电转子25下降，再启动前、后支撑装置2上的卡紧油缸19，卡紧油缸19的活塞杆带动卡紧体20下降到位，将核电转子25卡紧，同时对两锁紧油缸38通入高压油并保持，通过其活塞杆夹紧卡紧盘36，进一步对分度进行定位；d）分度加工：PLC通过前、后支撑装置2上的下接近开关23检测到卡紧体20下降到位后， PLC再延时数秒启动两数控铣床7同时对核电转子25进行加工， PLC将伺服电机28和数控铣床7的驱动设为互锁，防止误操作，保证加工的安全性；当一个加工行程完成后，PLC发出指令，两数控铣床7停止加工并退刀，操作卡紧油缸19的活塞杆上升，如PLC检测到前、后支撑装置2上的下接近开关23得电，表明卡紧体20此时仍卡紧核电转子25的轴颈，操作卡紧油缸19使得活塞杆继续上行，卡紧体20松开轴颈；如PLC检测到上接近开关22得电，则表明卡紧体20此时松开轴颈，再次通过两端的静压油膜将核电转子25向上同步的垂直顶升，再对两锁紧油缸38卸压，PLC通过液压传感器检测到液压低于预设值，表明两活塞杆松开卡紧盘36，可防止在顶升过程中核电转子25发生转动，进一步提高分度的准确性；PLC再延时数秒控制伺服电机28转动一定角度，伺服电机28通过传动机构、分度主轴31和装夹卡盘34使得核电转子25转动预设的分度角度，转动到位后，PLC比较两圆光栅4、5检测到的核电转子25两端转动角度，当二者的角度差因卡爪35打滑、温度变化等偶然因素超过预设值时（如千分之五度）， PLC发出报警信号，再将核电转子25反向转动回到本次分度前的初始位置进行调整，直到角度差未超过预设值；如角度差未超过预设值，转动到位后，延时数秒对静压轴瓦9内凹槽11的高压油同时卸压，核电转子25下降，通过卡紧油缸19的活塞杆带动卡紧体20下降，将核电转子25卡紧，同时对两锁紧油缸38通入高压油并保持，通过其活塞杆夹紧卡紧盘36，PLC检测到下接近开关23得电后， PLC再延时数秒启动两数控铣床7同时对核电转子25进行加工，完成一个加工行程；不断重复分度加工工序，可完成对整个核电转子25轮槽的加工；

采用上述加工方法，静压油膜对核电转子25的摩擦力极小，驱动工件的力矩均匀一致，分度过程中不会出现爬行现象，分度定位准确，加工精度大大提高；通过控制时序、检测到位延时，对分度运行条件严格控制，采用符合转子分度特点的信号延时，核电转子25在分度时，各种信号的变化不能立即用于控制，可有效消除分度时应力变化，不仅提高加工精度，而且减小了装置的机械磨损，加工装置的使用寿命更长，保证了产品加工的稳定性，大幅提高了合格率；两侧对称布置数控铣床7不仅提高了加工效率，更关键的是由于对称加工，可以减少机床大负荷切削时的震动，进一步提高了加工质量。

本发明不限于上述实施方式，如根据加工的需要，数控铣床7也可改为数控钻床，实现对转子的分度钻孔；传动机构中的蜗轮蜗杆也可由齿轮副替换，圆光栅的安装位置也可多种多样，但它们均属于本专利的保护范围。本专利技术来源于国家重大专项课题：超重型核电转子专用数控轴向轮槽铣，课题编号：2011ZX04002-081。 

Claims (11)

1.一种大型轴类工件的分度加工装置，包括床身、设于床身上的前、后支撑装置、分度装置、至少一个检测工件转动角度的圆光栅、设于床身至少一侧的导轨、滑动设于各自导轨上的数控机床、PLC，其特征在于前、后支撑装置均包括设于床身上的支撑底座、固定于支撑底座上的静压轴瓦和支架，静压轴瓦均设有凹弧面，并在凹弧面上设有一道以上的凹槽，凹槽在凹弧面底部母线两侧对称设置，前、后静压轴瓦内的凹槽相同设置，在静压轴瓦内设有与每道凹槽相连的油路，每条油路通过管路均与一分配器相连，分配器与油泵相连，在每条管路上均设有调压器和节流阀，在每个支架上固设有卡紧油缸，卡紧油缸的活塞杆与卡紧体固联，卡紧体位于各自的静压轴瓦上方；分度装置包括设于床身上的箱体、伺服电机、通过轴承设于箱体上的蜗杆和分度主轴，蜗杆一端通过联轴器和减速机与伺服电机相连，分度主轴上固设有与蜗杆啮合的蜗轮，分度主轴与一装夹卡盘固联，装夹卡盘设有三个以上可调节的卡爪；伺服电机和圆光栅均与PLC相连。

2.如权利要求1所述的一种大型轴类工件的分度加工装置，其特征在于所述圆光栅设于工件的后端和与后支撑装置相邻的支座上。

3. 如权利要求1所述的一种大型轴类工件的分度加工装置，其特征在于所述圆光栅设于分度主轴的前端和箱体上。

4. 如权利要求1或2所述的一种大型轴类工件的分度加工装置，其特征在于所述分度主轴的前端还固联一卡紧盘，在箱体内还设有两锁紧油缸，两锁紧油缸的活塞杆分别位于卡紧盘的两侧。

5. 如权利要求4所述的一种大型轴类工件的分度加工装置，其特征在于在卡紧盘的前端和箱体上设有圆光栅。

6. 如权利要求5所述的一种大型轴类工件的分度加工装置，其特征在于在卡紧体内设有导向孔，在支架上设有与导向孔配合的导向销；在支架上还设有上、下两接近开关，上、下接近开关和数控机床的数控系统均与PLC相连。

7. 如权利要求6所述的一种大型轴类工件的分度加工装置，其特征在于在床身两侧均设有导轨，所述数控机床为数控铣床，两数控铣床在工件的两侧对称布置。

8. 如权利要求6所述的一种大型轴类工件的分度加工装置，其特征在于在床身两侧均设有导轨，所述数控机床为数控钻床，两数控钻床在工件的两侧对称布置。

9. 一种大型轴类工件的分度加工方法，其特征在于包括以下步骤：a）装夹：将工件两端的轴颈置于前、后支撑装置静压轴瓦的凹弧面内，一装夹卡盘通过其上的数个卡爪将工件的前端卡紧；b）设置初始位置：设置分别检测工件两端转动角度的两圆光栅，并将两圆光栅与PLC相连，通过PLC和一圆光栅判断工件是否处于处于分度的预设参考点，如否，对前、后支撑装置静压轴瓦内凹槽通入高压油，在两端轴颈的下方形成静压油膜，将工件向上垂直顶升，轴颈与凹弧面分离， PLC再延时控制伺服电机转动一定角度，伺服电机通过传动机构、分度主轴和装夹卡盘使得工件转动回到参考点；c）锁紧：当工件处于分度的参考点，延时对前、后支撑装置静压轴瓦内凹槽的高压油同时卸压，工件下降，再启动前、后支撑装置上的卡紧油缸，卡紧油缸的活塞杆带动卡紧体下降到位，将工件卡紧；d）分度加工：PLC通过前、后支撑装置上的下接近开关检测到卡紧体下降到位后， PLC再延时启动两数控机床同时对工件进行加工，当一个加工行程完成后，PLC发出指令，两数控机床停止加工并退刀，卡紧油缸的活塞杆上升，如PLC检测到前、后支撑装置上的下接近开关得电，表明卡紧体此时仍卡紧工件的轴颈，操作卡紧油缸使得活塞杆继续上行，卡紧体松开轴颈；如PLC检测到上接近开关得电，则表明卡紧体此时松开轴颈，再次通过两端的静压油膜将工件向上同步的垂直顶升，PLC再延时控制伺服电机转动一定角度，伺服电机通过传动机构、分度主轴和装夹卡盘使得工件转动预设的分度角度，转动到位后，PLC比较两圆光栅检测到的工件两端转动角度，当二者的角度差超过预设值时， PLC发出报警信号，再将工件反向转动回到本次分度前的初始位置进行调整，直到角度差未超过预设值；如角度差未超过预设值，转动到位后，延时对前、后支撑装置静压轴瓦内凹槽的高压油同时卸压，工件下降，通过卡紧油缸的活塞杆带动卡紧体下降，将工件卡紧，PLC检测到下接近开关得电后， PLC再延时启动两数控机床同时对工件进行加工，完成一个加工行程；不断重复分度加工工序，可完成对整个工件预设结构的加工。

10. 如权利要求9所述的一种大型轴类工件的分度加工方法，其特征在于在b)步骤中，当工件转动回到参考点时，PLC将两圆光栅的检测值清零，并在同一工件的加工中只清零一次；通过PLC将伺服电机和数控机床的驱动设为互锁。

11. 如权利要求9或10所述的一种大型轴类工件的分度加工方法，其特征在于在分度主轴的前端固联一卡紧盘，在卡紧盘的两侧固设锁紧油缸，两锁紧油缸的活塞杆分别位于卡紧盘的两侧，在两锁紧油缸的供油管路上设置液压传感器，该液压传感器与PLC相连；在c）锁紧和d）分度加工工序中，需卡紧工件时，还对两锁紧油缸通入高压油并保持，通过两活塞杆夹紧卡紧盘进一步锁紧工件；在d）分度加工工序中，在每次顶升工件之后，对两锁紧油缸卸压，PLC通过液压传感器检测到液压低于预设值，PLC再延时控制伺服电机转动一定角度。

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