本文介绍了数控重型立车的电气随动车削装置，分析了其工作原理和技术特点，并介绍了在数控重型立车上采用这种装置如何车削非圆形变壁厚筒体，锥体，不等锥体类零件上的焊接坡口。
关键词:数控重型立车 非圆形变壁厚截面 随动车削
数控重型立车是水电、火电、核电和军工等机械制造行业的主要加工设备，尤其是对于大直径旋转曲面体类零件的加工，有着独特的优势。在加工某些特殊构件时，如：在非圆形变壁厚筒体、锥体、不等锥体类工件上车削焊接坡口，需要数控重型立车具备仿形随动车削的功能。
一、问题的提出
一般的数控立式车床，只能在横截面为圆形的回转体类零件上车削焊接坡口。但某些有特殊用途的大直径薄壁套类焊接结构件，由于此类零件是用不同厚度的钢板弯曲卷制焊接而成的，故其横截面形状近似为薄壁圆环，这种横截面的薄壁圆环上不仅壁厚不同，形状也不规则，凹凸起伏，而且形状变化无规律可循（即：非圆形变壁厚筒体、锥体、不等锥体）。要求在此类零件的上下端面加工出均匀一致的焊接坡口，是一个技术难题。需要数控重型立车具备仿形随动车削的功能。国内曾有不少机床生产企业为解决这一问题作过多种努力，但都未能达到加工要求。图1为零件横截面示意图，图中，双点划线为壁厚一致的标准圆环。在10000mm的直径上，凹陷处与凸起处在直径相同时，相差约为30－50mm。为保证在整个断面上的焊接坡口形状相同，尺寸一致，仅有径向进给是不够的。在加工圆环外壁上的坡口时，车刀在径向需按圆环内壁的轮廓随动进给；而加工圆环内壁上的坡口时，车刀在径向则需按圆环外壁轮廓随动进给。此前，这项技术尚属国内空白。
图1 为零件横截面示意图
二、工作原理
图2为电气随动车削装置的原理与结构示意图。根据工作要求，随动刀夹在工件一侧的进给量应该是测量装置在工件另一侧所测得的位移量，随动刀夹要与测量头同步，且位移相同，位置反馈数据就是直接给出的进给量。然而，由于加工工件的曲率半径不断变化，位移滞后量（即：跟踪误差）使得被加工件不可避免地会产生轮廓形状误差，为尽量减少这种误差，与一般伺服进给系统相比，随动车削装置对于输入信号的响应速度和瞬态过程结束的迅速程度的要求很高。只有如此，才能具备特殊的仿形随动功能，在非圆形变壁厚筒体、锥体、不等锥体等类型的零件端面上加工出合格的焊接坡口。
图2 为电气随动车削装置的原理与结构示意图nextpage
我们选择Indramat单轴数控系统、Heidenhain光栅尺和Siemens交流伺服电机组成了闭环随动系统。
Heidenhain光栅尺的输出信号选择正弦波信号，其分辨率高于方波信号，可减少系统的跟踪误差。高速数据处理及控制系统（Indramat单轴数控系统）对光栅尺输出的位置反馈信号（即：工件半径的变化信号）进行处理后，由即时跟踪伺服驱动器驱动跟踪随动交流伺服电机带动随动刀夹工作。此系统响应速度快，数据处理时间仅0.5ms，使随动刀夹具有很高的响应速度，因而能获得良好的跟踪精度。此外，高速数据处理及控制系统还可与Siemens FM-NC数控系统进行数据通讯。当不同壁厚时，可通过编程调整，而且，数控系统还可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Z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非常重要。
工作时，测量头与非圆形筒体内壁接触，当数控立车工作台开始旋转，测量反馈装置即可测出非圆形筒体截面半径的变化量，此信号传输到高速数据处理器及控制系统，控制跟踪随动伺服电机驱动随动刀夹即时跟踪，使得电气随动刀夹位移的变化与非圆形筒体半径的变化几乎同步，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。
三、机械结构
为了保证获得良好的随动加工精度，除必须使其具备很好的快速响应特性之外，测量数据的准确，随动刀夹对于指令信号反应的灵敏，对于随动精度的影响也相当大，是获得良好随动精度的基础。而这些，除了取决于数控系统的性能之外，也与随动车削装置本身的机械结构有很大关系。
电气随动车削装置由测量装置、随动刀夹和支座三个部分组成，如图3所示。其中，支座装在横梁导轨上，将测量装置与机床滑座连在一起，当加工不同厚度的工件时，可通过支座的调节元件来调整测量装置与机床滑座的相对位置。测量装置和随动刀夹是电气随动车削装置的关键部位。下面，分别介绍这两个部位。
在即时测量反馈装置中，光栅尺的定尺安装在固定支架上，光栅尺的动尺则安装在支杆座上，支杆与固定支架两侧的孔均有一定间隙，支杆前端的测量头用一个滚动轴承作滚轮，而装有这些测量反馈装置的固定支架则与支座连为一体。工作时，弹簧使测量头紧靠壳体一侧，当工件随工作台转动时，测量头沿工件壁转动，并推动支杆作轴向移动，支杆座与光栅尺的动尺也随之移动，即可获得移动的位置信号。在支杆座的移动部位特设置了高精度直线滚动导轨，其动静摩擦系数小，机械响应速度快，导向精度高。支杆上装有导向的键，用于支杆移动的导向，防止支杆转动，而标尺则用于调整支杆的初始位置。
图3 电气随动装置示意图
随动刀夹的结构与一般数控机床的进给系统类似（见图2）。随动刀夹与滚珠丝杠副的螺母座固定为一体，可沿着刀夹座上的导轨来回移动。导夹座和随动刀夹之间采用摩擦系数小的聚四氟乙烯软带导轨，工作平稳，运动灵活。为保证润滑良好，刀夹体上有注油嘴，可定期加注润滑脂。伺服电机根据数控系统传递的光栅尺移动的位移反馈信号，通过配速齿轮和滚珠丝杠副驱动随动刀夹车削工件。刀夹座通过上、下齿盘与刀架滑枕相连，不需要随动车削时，只要将电气随动车削装置取下，换成普通刀夹即可，使用十分方便。
根据用户的使用要求，我们在CK53100型数控单柱移动立车上设计了一套电气随动车削装置。试车时，在直径为6500mm，壁厚为35mm，凹凸相差达100mm的大型非圆壳圈上加工5×45°焊接坡口时，最大误差仅±0.2mm，大大优于±0.5mm的精度要求，表面粗糙度可达Ra:1.6μm。完全能够满足此类零件的加工要求。目前，该机床已经投入使用数年，顺利加工了许多非圆形变壁厚筒体、锥体、不等锥体等零件上的各种焊接坡口，精度稳定，工作可靠性好。
