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1、 I 摘 要 轧辊轴承座是轧钢机上的主机部分的关键零件之一，也是加工周期长、难度大、精度要求很高的零件。由于轧辊轴承座的需求量的增加，用户对质量的要求越来越高，而交货期要求越来越短，质量和加工效率的问题就显得十分突出。充分提高现在各大型企业的大型先进数控机床的制造效率，解决企业在生产制造大型件从数控工艺到数控加工中的关键技术问题，己经成为一个研究热点。论文对轧辊轴承座数控加工问题进行了详细分析，找出了影响数控加工效率、质量低下的技术原因，并针对这些关键技术包括数控加工工艺生成、装夹、测量、数控加工程序的生成及验证方面进行了研究。论文主要包含:分析轧辊轴承座结构及制造要求，建立系列轧辊数控加工工
2、艺包括数控加工程序的生成系统，缩短数控加工工艺技术准备时间，规范数控加工各工步数据，并且提高轧辊轴承座的数控程序的生成效率和准确度。设计建立快速装夹工装，减少大型零件数控加工中的装夹次数，缩短辅助时间，提高制造精度。利用现代在线测量技术，并结合实际对测量硬件选型和建立测量方案，减少用传统测量尺和表进行停机测量，控制数控加工的辅助时间，提高企业数控设备的利用率，降低制造成本。轧辊轴承座数控加工工步加工顺序进行优化，使得数控加工中的换刀、工作台转位和快速移动等辅助时间有效的缩短。轧辊轴承座的数控加工时间较长，对其数控走刀路径和工步的工艺参数优化，减少加工时间，保证加工精度，降低成本。关键词：数控、
3、轧辊轴承座，在线测量，II ABSTRACT The chock is one of the key and important parts of the rolling mill.It has along machining duration and the accuracy of the machining is very high.Since the chocks are in great demand in the market.And the quality requirement is more and more strict and the delivery time is mu
4、ch shorter than before，the quality and machining efficiency become very important.To improve machining efficiency of all the large modem CNC(Computer Numerical Control)machine tools in all the large companies and to solve key technology problems o f manufacturing large parts from NC Process to NC ma
5、chining have become a hot point to research.This article makes a detailed analysis on CNC manufacturing problems of chock to find some technology reasons which influence quality and machining efficiency and then study these CNC machining key technologies including creating CNC process，measuring，CNC
6、machining programming and verifying.The thesis including:First，to create a system of building type chocks CNC machining process including CNC programming by analysis of chocks structure，size and manufacture demand is to reduce preparative time for technology process and make datum standardization an
7、d to improve efficiency and veracity for NC code programming.Second，designing and creating the clip of type chocks is to reduce times of fixing and assistant time and to improve precision.Third，by using online-measure technology，selecting hardware and creating measure plan，changing ordinary measure
8、style to control assistant time and improve machining efficiency.Fourth，reducing time of changing tools and rotating worktable and moving rapidly is the aim by machining-step optimization for CNC machining chocks.Fifth，tool-path and machining parameters optimization by finding effective goal of effi
9、ciency，cost and quality.Key word:chocks，parameterized，online-measure，tool-Path III 目 录 1 引 言.1 1.1我国钢铁工业的发展状况.1 1.2我国冶金专用装备制造业的发展状况.错误！未定义书签。1.3 论文研究的意义.2 2 数控电气控制系统的设计.3 2.1异步交流电动机驱动系统的分析与设计.3 2.1.1变频器的需求分析与选型.3 2.1.2变频器参数设定与驱动调试.4 2.2步进电机选型及驱动设计.5 2.2.1步进电机的工作原理与选型.5 2.2.2.驱动器及其细分技术.5 2.2.3步进电机驱动器
10、的选型.6 2.2.4驱动器的连接与参数设定.6 2.3系统其他元件的选型设计.7 2.4 PLC的工作原理与选型设计.8 2.5 基于 PLC的软件程序的开发设计.9 3 轧辊轴承座加工中的快速装夹定位和测量技术.14 3.1轧辊轴承座数控加工中的快速装夹定位.14 3.1.1轧辊轴承座的装夹定位方案.14 3.1.2装夹工装设计和实施.15 3.2轧辊轴承座数控加工中的在线测量.18 3.2.1轧辊轴承座加工中在线测量原理.18 3.2.2轧辊轴承座在线测量系统的实施.21 4 轧辊轴承座数控加工工艺生成.23 4.1轧辊轴承座的制造过程及主要加工方法.23 4.1.1轧辊轴承座的制造过程
11、.23 4.1.2轧辊轴承座主要加工面的功用及常用加工方法.23 4.1.3轧辊轴承座的加工质量问题及产生原因.23 4.2轧辊轴承座加工工艺.25 4.2.1提高轧辊轴承座加工质量和效率的措施.25 IV 4.2.2优化后的工艺.27 4.3系列轧辊轴承座参数化.28 5 轧辊轴承座数控加工工艺优化.30 5.1轧辊轴承座数控加工工步安排优化.30 5.1.1工步排序寻优模型.30 5.1.2工步优化排序结果.32 5.2数控加工走刀路径的优化.33 5.2.1刀路优化策略.33 5.2.2刀路优化效果.33 5.3数控加工工艺参数的优化.34 结 论.35 致 谢.36 参考文献.37 1
12、 1 引 言 1.1我国钢铁工业的发展状况 当前，我国钢铁工业继续保持着较快发展的态势，2006年全国铁、钢和钢材产量都迈上了超过 4 亿吨的新台阶，分别达到 4.04亿吨、4.18亿吨和 4.67亿吨。2006年全球产粗钢和生铁分别为 12.395亿吨和 8.67亿吨，我国粗钢和生铁产量分别占全球总产量的 33.79%和 46.6%。全年国内市场粗钢表观消费量 3.84亿吨，占全球消费总量的 30.98%，我国钢铁生产和消费已成为全球中心，对世界钢铁业发展有关重要的影响。2006年我国钢材品种结构继续优化，板管带比达到 49.26%，由于国产钢材有效供给提高，国产钢材的市场占有率达到 95.
13、8%。2006年，我国进口钢材 1851万吨，同比下降 28.3%，出口钢材 4301万吨，同比增长 110%。进口钢坯 37 万吨，同比下降 71.82%；出口钢坯 904万吨，同比增加 27.83%。钢材净出口 2450万吨，钢坯净出口 867万吨。如果将钢材、钢坯的进出口折算成粗钢计算，全年净出口粗钢 3472万吨。净出口粗钢占全年粗钢总产量的 8.3%；占全年增钢总量的 52.75%。我国结束了多年来钢材净进口的历史，变为净出口国。2006年钢铁行业总体经营状况比预期的要好。全行业实现利润 1699.5亿元，同比增长30.6%(全国规模以上企业利润增长 31%)。其中，重点钢铁生产企业
14、(60家)实现利税 1588.33亿元，同比增长 15.69%；实现利润总额(补贴后)888.11亿元，同比增长 16.91%；亏损企业(3 家)亏损额(补贴前)9211万元，同比增长 95.11%。1.2我国冶金专用装备制造业的发展状况 1、生产增长幅度较大。1987年,陕西冶金机械制造企业共完成工业总产值 6646万元,为年计划的118.7%,比上年增长了18.6%。全年完成机电产品总产量1.66万吨,为年计划的 114%。其中,成台(套)冶金设备有 8231.8吨,备件 3624.4吨,商品铸锻铆焊件有 1587.7吨。2、经济效益与生产速度协调增长。在原燃料大幅度提价、减利因素增加的困
15、难条件下,陕西冶金机械制造企业通过加强内部管理,实行多种形式的经济承包等多方面努力,1987年取得了良好的经济效益。全年实现利税 1361万元,比一九八六年增长 10.2%,其中利润 1020.1万元,比上年增长 15.3%。3、产品质量有所提高。通过完善和巩固质量保证体系,进一步开展全面质量管理,1987年,陕西冶金设备制造业的企业废品损失率为1.1%。其中华山冶金车辆厂的全厂废品损失率为 0.4%。机加工产品合格率比上年有所上升,达到了 99.7%。1987年华山冶金车辆厂的转 8A 侧架和转向架产品首次被评为冶金部和陕西省的优 2 质产品,填补了华山冶金车辆厂优质产品的空白。由此,陕西冶
16、金设备制造业的优质产品率达到了 10.1%。其中,西安冶金机械厂到了 14.3%。4、科技攻关取得新进展。1987年通过鉴定和获奖的项目有:为宝钢制造的1900mm大板坯连铸机的过跨台车和辊道设备。通过了日本、宝钢等方面的联检,确认达到日本同类产品标准;1260立方米高炉无料钟炉顶设备,通过冶金部炉顶设备评比鉴定验收,确认制造水平居国内领先地位;圆弧螺旋面包络环面蜗杆传动装置获陕西省优秀新产品奖;BG300型液压矮身泥炮获冶金部技术进步二等奖,并取得专利;LRD750/690冷热等静压机获冶金部科技进步一等奖。这些科技攻关项目的研制成功,标志着陕西冶金机械制造的技术和质量水平迈上了一个新的台阶
17、。同时也大大促进了陕西冶金设备制造业的产品结构的调整。华山冶金车辆厂近一两年试制成功的冶金新车种总产值到 1987年已占全厂总产值的 73.9%,西安冶金机械厂近几年试制成功的液压矮身泥炮等五六种新产品总产值也由上年占该厂总产值的 28%上升到1987年的 40%左右。5.对生产薄弱环节进行了技术改造。1987年,陕西冶金设备制造业还对冶炼铸造等影响企业生产的薄弱环节进行了技术改造,完成更新改造投资 377万元,其中西安冶金机械厂完成 158万元,华山冶金车辆厂完成 219万元。这将大大促进企业生产潜力的进一步发挥。1.3 论文研究的意义 轧辊轴承座数控加工关键技术的研究具有以下方面意义:通过
18、文献检索分析，国内外还没有对轧辊轴承座数控加工关键技术进行较全面的研究报道。本文研究的对象轧辊轴承座是轧钢机上的主机部分的关键零件之一，也是加工周期长、难度大、精度要求很高的零件。而且在重型机械制造领域中有一定的批量，同时在大型零件制造中具有一定代表型。研究轧辊轴承座后得出的成果可以给予其它大型零件的加工制造借鉴。本文研究的内容要对轧辊轴承座数控加工关键技术包括数控加工工艺生成、测量、数控加工程序的生成及验证方面进行了研究。这些关键技术很好的研究和实施可以提高产品加工效率、质量。本文研究的成果主要运用到诸如中国第二重型集团公司中来，充分提高大型企业的大型先进数控机床的制造效率，不仅解决企业中在
19、生产制造大型件一些技术问题，同时增强企业的国际竞争能力。3 2 数控电气控制系统的设计 2.1异步交流电动机驱动系统的分析与设计 2.1.1变频器的需求分析与选型 变频器的基本构成图 2-1所示，它由整流、滤波、逆变及控制回路等部分组成。交流电源经整流、滤波后变成直流电源，控制回路有规律地控制逆变器的导通与截止，使之向异步电动机输出电压和频率可变的电源，驱动电动机运行，整个系统是开环的。对于速度精度和响应快速性要求较高的系统，采用图 2-1所示的开环系统还不够，往往还需要由变频器主回路及电动机检测反馈信号，经运算回路综合后控制触发回路，构成一个闭环系统。图 4-1 变频器基本结构组成框图 由系
20、统框图可以看出，交流供电电源经过整流和滤波后，将直流电供给逆变电路使用，再由逆变电路将该直流逆变成三相电源驱动电动机。根据控制要求我们为冲床电机选择了台达VFD-O37M，送料机选定了 VFD-O15M变 频器，详细参数如表 2-1所示。4 表 2-1 变频器性能指标参数一览表 2.1.2变频器参数设定与驱动调试 变频器参数设定如表 2-2所示。表 2-2变频器参数设定一览表 5 2.2步进电机选型及驱动设计 2.2.1步进电机的工作原理与选型 步进电机是一种控制用的特种电机，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，其特点是没有积累误差，所以广泛应用于各种开环控制l7。步进电机的运
21、行要有步进电机驱动器驱动，控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角，所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。由于混合式电机内部具有永久磁性材料，所以即使在电机未加电的情况下也有一定的自锁力，在运行性能上也较反应式步进电机平稳，输出力矩相对较大，运行声音小，所以我们选择了 130系列，三相混合式 130BYG35OA步进电动机。表 2-3 三相混合式步进电机参数表 2.2.2.驱动器及其细分技术 驱动器的作用是接受控制器(单片机、PLC、数控系统等)的脉冲控制信号，并经过处理放大，为步进电机提供足够的功率驱动信号。步进电机步距角的含义是指:它表示控制系统每发一个步进脉冲信号
22、，电机所转动的角度。而细分技术是在原来步距角的基础上进行的再次细化。如 130BYG350A型电机出厂时给出了一个步距角的值 0.6/1.2(表示半步工作时为 0.6、整步工作时为 1.2。)，这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关，参见表2-4。表 2-4 驱动器细分技术电机固有步距角与实际步距角对照表 从表可以看出:步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了，如驱动器工作在 10细分状态时，其步距角只为电机固有步距角的十分之一，也就是说:“当驱动器工作在不细分的状态时，控制器每发一个步进脉冲，电机转动 1.2“;而用细分驱动器工
23、作在 10 细分状态时，电机只转动了 0.12，分辨率大大提高”，低频振荡是步进电机(尤其是反应式电机)6 的固有特性，而细分是消除它的唯一途径。采用细分功能减小了步距角、提高了步距的均匀度，提高了电机的输出转矩。2.2.3步进电机驱动器的选型 根据控制电机的实际情况，我们选取了由美国 SHAPHON公司与北京斯达特微步控制技术有限公司联合推出的 MS-3H13OM步进电机驱动器。该驱动器采用交流伺服控制原理，三相正弦驱动电流输出，具有高转矩、低振动、发热小、可靠性高等优点，详细参数与接口信号意义如表 2-5与表 2-6所示。表 2-5 MS-3H13OM步进电机驱动器参数表 表 2-6 信号
24、接口意义 2.2.4驱动器的连接与参数设定 驱动器是把计算机控制系统提供的弱电信号放大为步进电机能够接受的强电流信号，控制系统提供给驱动器的信号主要有以下三路:(l)步进脉冲信号 CP:脉冲信号输入端，驱动器每接受一个脉冲信号 CP，就驱动步进电机旋转一步距角，CP 的频率和步进电机的转速成正比，CP 的脉冲个数决定了步进电机旋转的角度。这样，控制系统通过脉冲信号 CP 就可以达到电机调速和定位的目的。7(2)方向电平信号 DIR:此信号决定电机的旋转方向。在单脉冲方式下，此信号为高电平时电机为顺时针旋转，低电平时电机反方向逆时针旋转;若工作在双脉冲换向方式，则驱动器接受两路脉冲信号(标注为
25、CW 和 CCW)，当其中一路(如 CW)有脉冲信号时，电机正向运行，当另一路(如 CCW)有脉冲信号时，电机反向运行。工作在何种方式由拨位开关的第5位决定使用何种方式。(3)使能信号 EN:此信号在不连接时默认为有效状态，这时驱动器正常工作。当此信号回路导通时，驱动器停止工作，这时电机处于无力矩状态，此信号为选用信号。为了使控制系统和驱动器能够正常的通信，避免相互干扰，驱动器内部采用光祸器件对输入信号进行隔离，三路信号的内部接口电路相同，常用的连接方式为共阳方式:把 CP 十、D 工 R+和 EN+接在一起作为共阳端接外部系统的巧 V，脉冲信号接入 CP-端，方向信号接入 DIR一端，使能信
26、号接入 EN 一端;共阴方式:把 CP 一、DIR一和 EN 一接在一起作为共阴端接外部系统的 GND，脉冲信号接入 CP+端，方向信号接入 DIR+端，使能信号接入 EN+端;差动方式:直接连接。图 2-2 驱动器输入信号内部接口示意图 2.3系统其他元件的选型设计 表 2-7 系统主要元件选取一览表 电气主辅电路的设计任务与要求，为此进行了设计并绘制了电路原理图，随后对变频调 8 速、步进驱动原理进行了详细介绍，最后对变频器、步进驱动器的参数进行了设定。2.4 PLC的工作原理与选型设计 PLC采用循环扫描的工作方式其扫描过程为循环方式。这个工作过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程
27、序执行、程序输出几个阶段。内部处理阶段，PLC检查 CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等;在通信操作服务阶段PLC与一些智能模块通信，响应编程器键入的命令、更新编程器的显示内容等;当 PLC处于停(STOP)状态时，只进行内部处理和通信服务操作等内容;在 PLC处于运行(RUN)状态时，从内部处理通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。选型一般从以下几个方面考虑，用来评估该 PLC是否符合所需与应用 1.输入、输出点数:PLC能处理、控制的信号点数。2.定时、计数器数量:PLC内部仿真的定时、计数器数量。3.支持指令:PLC所能处理及涵盖的指令范围。4.执行速度:PLC
28、执行每个指令的执行度，这关系到整个系统的扫描时间。5.使用者的程序空间:即 PLC程序所占有的最大空间。6.系统的扩充性:该 PLC可以再作哪一方面的扩展等等。日本三菱公司是国际著名的工厂自动化设备制造商，工业可编程控制器在国内市场占有率一直保持前列，FXIS系列 PLC具有小型化、高速度、高性能、指令丰富、通讯能力强、容易扩充等特点，根据本次设计控制精度要求、综合性能、基本输入输出点数、价格及使用指令方便程度等情况，我们采用了日本三菱系列的MITSUBISH工 FXIS系列 PLC的 ZOMT型号。9 资源分配硬件连接如图 2-3所示:图 2-3 PLC控制器及输入输出信号、触摸屏、驱动器电
29、气连接图 表 2-8 PLC输入输出端口资源分配表 2.5 基于 PLC的软件程序的开发设计 绘制软件流程框图 编程占用主要资源如表 2-9所示:10 表 2-9编程占用主要资源简表 根据主控制流程我们把程序分成五大模块:即参数设定模块、主机运行控制模块、和触摸屏操作模块、故障显示控制模块与气缸状态输出模块。1 系统参数设定模块 分析:首先对系统进行初始化(包括置位复位操作等)，然后进行进料长度数据读取，计算应该发送的脉冲数;以及读取速度档位值并计算脉冲频率。11 图 2-4 PLC软件控制流程图 12 程序梯形图如图 2-5所示:图 2-5系统初始化梯形图 2 主机运行控制模块(1)操作面板
30、上启停控制 启动条件:自动方式下(X012)，操作面板启动按钮按下(XOOS)，主机无故障(X000)，送料机无故障(XO13)停止条件:操作面板停止按钮按下(XOO6)，或主机有故障(X000)，或送料机无故障(X013)，或触摸屏内停止按钮按下(M15)图 2-6 操作面板上冲床电机启停控制梯形图(2)屏内冲床点动 启动条件:手动方式下下(M26)停止条件:定时时间到屏内冲床点动(XO12)，主机无故障(X000)，屏内点动按钮按(T9定时 1.1秒)13 图 2-7触摸屏内冲床电机点动控制梯形图 本章首先对 PLC的基本概念、结构组成、用途意义、发展方向进行了较为全面的讲解，随后结合本次
31、设计对 PLC进行了选型，资源分配、硬件连接、最后绘制了流程框图，并设计出了完整的梯形图软件代码。14 3 轧辊轴承座加工中的快速装夹定位和测量技术 今天，功能强大的数控加工设备和刀具，带给我们的是越来越短的切削加工时间和辅助加工时间。在设备设计运转的上限速度工作时，虽然可以进一步减加工工时，但带来的后果往往是严重的刀具磨损，最终导致机床因故障而停工，以及由此产生的用于机床维修的费用。一般情况下，减少加工工时的最常用措施是缩短辅助准备工时，包括工件装夹时间、加工过程的测量和调整加工参数过程等。3.1轧辊轴承座数控加工中的快速装夹定位 工件在机床上的装夹有三种方式：第一种是利用机床工作台面、其上
32、梯形槽面和车床三爪夹盘将工件定位后装夹，这种装夹方式受限与工件加工形状和部位。第二种是利用可调垫铁、千斤顶、四爪夹盘等工具，先将工件夹持在机床上，将划针或百分表安置在机床适当位置，然后使机床慢速移动，这是划针或百分表在工件上划过的轨迹即代表着切削成形运动的位置，根据这个轨迹调整工件使其处于正确位置，这种装夹方式生产效率低，工装通用性好，工装费用低，适用于单件小批量生产。第三种是在机床上先安置好备有专用的定位销和夹紧装置的夹具，工件可迅速和准确置于夹具中。由于夹具上定位元件的定位面相对夹具的安装面有一定的位置精度要求，故利用夹具装夹就能保证工件相对刀具及成形运动的正确位置关系，这种装夹方式生产效
33、率高，工装无通用性，工装费用高，适用于大批量生产18。3.1.1轧辊轴承座的装夹定位方案 在上一章中的表数控精加工工步数据表获得实际的切削工作时间约为 400min，而实际工作时间却是 58 小时，可见轧辊轴承座在我集团公司制造中需要耗费大量的辅助装夹时间。由于我们的机床尺寸规格较大，而且所加工的零件体积和质量都比较大，不可能另外设置一个快换工作台，也不能通过在工件上设定几个定位销孔去利用3R 定位技术(瑞士的产品)。所以就必须根据实际制造特点设计一种装夹定位方式，去节约辅助时间。根据轧辊轴承座的前面的加工流程或者工艺的工序工步设计以及轧辊轴承座的结构特点。轧辊轴承座在上数控撞铣加工中心前的状
34、态为:四周各面单边留量5mm，数控加工序的各工步加工余量己经很少，一些不重要面只需要最后一刀即可。厚度端面光达 Ra3.2，为后续数控加工提供了基准面。15 内孔单边留量 0.5mm，光达 Ra3.2。为保证后续数控加工滑板两面和内孔之间的尺寸公差和形位公差作为数控铣削的定位找正基准。方案一:将工件防置于等高（高出工作台 300mm以上，便于退刀加工），利用厚度端面作为水平基准。然后通过反复打表，均分余量后将工件找直后（与 B轴零位有关）通过压板压紧，再继续打表找出基准内孔的中心设定为后续加工程序的零点位置。这样，以后每上一件即需要重复上述过程。方案二:按照基准内孔尺寸设计一种芯轴，将芯轴先固
35、定在工作台，其芯轴中心通过打表与工作台中心重合，该中心点作为程序加工坐标系的零点。然后将同一中规格内孔的零件与芯轴配合装入后压紧。最后通过压表一个面找直，设定 B轴零位后开始加工。优点是减少反复找正，打表设定加工零点的工作。缺点是每一种规格的零件需要一种芯轴，同时拆卸不方便，工装成本过多，仍然需要多的辅助时间。方案三:使用组合夹具思路和配合数控机床的零点系统，以及后续的测量系统，建立一种可调整的定心工装，解决方案二的工装适用空间的局限性，同时改变传统打表的做法，高效的完成定位装夹，并适合系列轴承座的快速数控加工。从上述三种方案可以看出，采用方案三是比较优化的装夹方案。3.1.2装夹工装设计和实
36、施 工装设计 当工件被加工面以中心要素（轴线、中心平面等）为工序基准时（轧辊轴承座的内孔），为使基准重合以减少定位误差，需采用定心夹紧机构。定心夹紧机构是指能保证工件的对称点（或对称线、面）在夹紧过程中始终处于固定准确位置的夹紧机构。它的特点是:夹紧机构的定位元件与夹紧元件合为一体，并且定位和夹紧动作是同时进行的。定心夹紧机构按其工作原理分为两种类型，一种是按定位夹紧元件均匀弹性变形原理来实现定心夹紧的机构，如弹簧夹筒、膜片卡盘、液性塑料等。另一种是按定位夹紧元件等速移动原理来实现定心夹紧的，三爪自定心卡盘就是典型实例。三爪自定心卡盘根据工件装夹部分的圆周确定工件的回转中心，它的定心精度不是很
37、高。但是从功能形式上，很适合本课题研究的轧辊轴承座在数控加工外轮廓各面时以内孔做基准定位用。同时三爪自定心卡盘在我各生产车间工装库中很常见，同时废旧的车床上也很容易得到。三爪卡盘装夹工件的原理是，利用卡盘扳手转动圆周上的三个伞齿中的任一个。从而带动平面螺纹转动并带动三个卡爪一齐移动，起到自定心装夹工件作用。16 图 3-1三爪卡盘原理图 从机械结构上看，卡盘的三个伞齿或者螺杆具有相同功能，但是经过仔细检测，三个伞齿装夹工件的精度并不一样，相差也较大。通过实际检测，用 C62O机床规格的几个卡盘的三个伞齿调整装夹时，不管是定心精度高或定心精度低的卡盘，三个伞齿装夹工件的精度都不一样，且其中有一个
38、伞齿装夹工件的精度既稳定又高。较好的卡盘通过这个伞齿装夹工件可以保证同心 0.10mm。因此，比较轧辊轴承座的加工中需要保证滑板面尺寸对称度 0.20mm或者平行度 0.1mm的要求，同时实际最终还可以在最后立车加工内孔时单边有0.50mm可以得到借偏的保证。所以如果我们利用这一特点，来利用卡盘改制和组合。首先将卡盘的其中一个精度既稳定又高伞齿做上标记，以后就用它来调整。然后，由于轧辊轴承座的内孔相对于卡盘的最大外径都大一些，所以需要延伸卡盘的三个卡爪长度，实际中可找些废料焊于卡爪上，然后上立车或者数控铣床进行加工焊上端头部分，保证三个延伸部分最外端一致，及保证三点圆与卡盘同心。图3-2为改制
39、后简图。图 3-2三爪卡盘改制图 17 图 3-3装夹图 工装校核 工装的主要目的是实现工件的定心作用，即在工件放在工装上，调整工装上的螺杆，驱动卡爪，使得工件平动，直至工件孔中心与设定的中心位置同心。调整的驱动力，可以克服工件平面的摩擦力即可。工件最大重量 W:Wl=l0000kg*l0=100KN(若 3000以下轧机规格)W2=30000kg*10=300KN(若 4000至 5000轧机规格)工件与垫块产生的摩擦力 f(摩擦系数 ul 为 0.2):fl=u1*Wl=20KN f2=u1*W2=60KN M64螺杆能承受轴向载荷(查中国第二重型机械集团公司常用标准简明手册):能承受载荷
40、 N=75KN 即可以提供驱动力:F=N*u=37.5KN（u 为安全系数 l/2）由上述 f 与 F 比较可知，该工装可以满足 3000mm以下轧机规格的使用。装夹定位实施 如图 3-2所示，装夹工件前，将起定心作用的改制后卡盘放置于数控锉铣床中心并把该中心设置为加工坐标系零点，四周垫起主要支撑作用的等高垫。每个工件装夹时，只须将工 18 件放置于等高垫上，再调整作标记的伞齿，工件移动与工作台中心一致。最后打压板压紧工件。再利用 4-2章节中提供的在线测头，检测出一面的斜度度数把工作台回转轴 B 设置好零位后即可实施程序加工。3.2轧辊轴承座数控加工中的在线测量 数控机床加工精度是由系统精度
41、、伺服精度、机床精度三者保证的。尽管目前三者的精度均不断提高，能够满足通常情况下的加工要求，但是工件的加工精度除上面的三个主要方面外，还有许多其他因素影响，而且伺服精度、机床精度随着时间的推移，还会下降，加工过程中刀具的磨损也影响加工精度。有些高精度零件加工过程中必须进行检测才能确信其是否满足中间工序设计要求。目前数控加工工件的误差大部分只能靠通用量具、仪器或专用量具进行离线测量，对于高精度的工件，需要在三坐标测量机上进行离线测量22。由于产生多次装卸过程的安装误差，使工件精度降低，工作效率下降，劳动强度增大，尤其对于集团公司数控铣大型主要零件（如轧机中的牌坊、轧辊轴承座等，重达数吨），问题尤
42、其突出。基于上述原因，研究运用数控加工工件在线、高效、高精度的测量系统，实现加工和检测的集成，即把测头和刀具同时安装在刀库中，统一编号，通过程序随时进行自动测量，方便工件的安装调整，大大缩短辅助时间，提高生产效率；同时又可改善数控机床性能，延长机床的精度保持时间，使得数控机床既是加工设备，又兼备测量机的某些功能。3.2.1轧辊轴承座加工中在线测量原理 在零件加工过程中，对于长度、直径等线性尺寸，机床操作人员常用卡尺、千分表等进行在线测量，个别情况需将零件拿到三坐标测量机上检测，以便适时调整加工参数。检测手段相对落后、可靠性差。对垂直度、平行度等形位公差要求高的高精密零件，机床操作人员只能在加工
43、过程中将零件拿到三坐标测量机上进行检测。在精密零件的加工过程中，每一次工件离机测量和再上机安装定位都会带来一定的误差，有些误差是难以消除的。因此，在精密加工机床上配置检测系统以达到前所未有的加工精度己成了先进制造技术的一种发展趋势23。按检测时是否停机，尺寸在线检测可分为加工过程中加工状态下测量的在线检测和加工过程中停机状态测量的在机检测两类24。由于加工过程是一个复杂的动态过程，影响测量准确度的因素很多，如切削过程中切屑和冷却液的干扰、机床振动及加工中产生的热变形，检测仪器的安装，以及检测过程的安全性等问题，使得在加工状态下直接测量工件的尺寸显得十分困难。实际上，在加工过程中进行零件尺寸的在
44、线检测更多的是采用间接在机检测零件尺寸的方法。即在加工过程中停止切削加工，利用机床上的测量仪器检测零件尺寸的方法。19 图 3-4给出了在机检测系统框图。此时，机床停止切削加工，工件保持装夹状态，机床上的测头在测量程序的控制下进行工作，对工件进行检测(测量方式类似于三坐标测量机)，再将检测数据传到外部计算机进行尺寸计算和误差分析。对超差尺寸进行报警，确定误差补偿策略，调整零件加工参数25。图 3-4在线检测系统组成示意图 数控机床的运动部件具有较高的精度，比许多测量仪器或测量机的运动精度还高，将机床与测量仪器有机的结合起来，机床既作为加工设备，又作为测量设备，从而实现了在机测量。这样以机床的精
45、度作为在机测量的精度基础，结合优良的加工环境控制，通过开发必要的测量程序和测量数据处理软件，即可实现自动测量，并直观显示测量结果。零件尺寸在机检测需从以下几方面入手实施。测头系统 测头系统主要用来探测、获取被测工件表面测点处坐标等信息，并将它输入到数控系统。由于测头系统的性能对整个检测系统的精度、工作方式、效能有着决定性的影响，因此成为检测系统中极为重要的关键部件。测头系统的种类很多:以探测时与工件的接触状态，分接触测量式和非接触测量式两大类；按发生信号原理及输出，分点位触发式和线性位移模式。在一个系统中采用何种测头系统为佳，应根据实际应用场合而定。再根据加工中心的实际情况及被测工件的几何形状
46、和精度要求选取合适的测头。选择测头主要考虑:测头的灵敏度、精度指标;测头的结构、探针形状、长度等。20 图 3-5测头结构 测点分布方式 多数数控机床测量系统只能测量零件的点位尺寸(即坐标点)。因此，需针对精密零件几何特性，确定系统测量几何尺寸和形位公差的类别，明确各类几何尺寸和形位公差测量采集点的分布情况，找出相应几何尺寸和形位公差的理论计算方法。诸如:孔径、圆度、平面度、圆柱度、平行度、垂直度、同轴度等尺寸和形位误差是通过对相应的面、圆、圆柱的测量并进行计算得到。因此，面、圆、圆柱的测量是基础。按照误差评定算法，面、圆、圆柱的测量点之间应尽量远且较均匀分布。面、圆、圆柱的测量点分布方式如图
47、 3-6、3-7和 3-8所示。图 3-6面的测点分布 图 3-7圆的测点分布图 3-8圆柱和孔的测点分布 测量程序的生成 在确定测点分布方式后，对具体零件需要确定测量路径，编制测量程序。测量程序的编制既可以用手工编程的方法进行编制，也可以用自动编程的方法进行编制。在测量系统中，21 为了保证测量数据的完整性和正确性，根据测量函数，都有数控镗铣加工中心测量程序通用模板。主要有长度、直径、圆度、圆柱度、平度面、垂直度、平行度和全跳动的测量程序模块。测量程序采用半自动方法生成。根据被测零件的尺寸和形位误差，以人机交互方式分别输入相应测量程序模板所需要的参数值，自动生成尺寸或形位误差测量所需的测量程
48、序块。3.2.2轧辊轴承座在线测量系统的实施 轧辊轴承座的测量系统需要完成的主要工作:1)轧辊轴承座的加工前，首先需要快捷的找正工装夹具，使前述定心夹具中心与工作台回转中心重合，并将其坐标设定为零点。2)轧辊轴承座的装夹压紧后需要，设定B轴零位。即通过测量系统测出一个面与X轴的斜度，然后反向旋转B 这样的度数获得B 轴零位。3)加工过程中间，对各主要公差尺寸和形位公差的控制加工。如轧辊轴承座的主要控制的尺寸是轴承座的两侧滑板面尺寸 Wl，以及该两面的平面度或对称度。如武钢 2250热连轧机中轧辊轴承座，滑板面尺寸 1610mm,对称度 0.20mm或者平行度 0.10mm，即可通过同时控制两侧
49、平面的平面度 0.05mm，这样可以保证最终要求。实际中加工是通过在两侧面最终一刀加工前对两面的误差进行计算后，再通过数控程序实现加工尺寸误差补偿，修正加工工艺参数控制加工。测量(测头)系统选择 基于上述的测试性能要求，以及根据所使用机床的具体情况(定位误差士 0.003-0.004)和价格方面。我们比较了英国雷尼绍和我国哈尔滨先锋机电公司的在线测量系统，我们最终选择先锋机电公司的 CNC-OMS测量系统作为课题实施的系统。这套测量系统在测头功能、光电信号传输技术、系统安全性和测量软件功能等方面可与国外同类先进产品相近，并可实现全面互换。表 3-1TP6B系列主要测头参数 测针单向复位精度 0
50、.001mm 侧阵位置精度 0.002-0.003mm 测头主体直径 60mm 测头主体长度 76/86/95mm 测针最大摆动角度 15 测针轴向退让距离 5mm 测球直径 60mmmm 600.00025mm 22 我们先期为各生产车间购置了 20 支 TP6B系列三维测头。该系列测头为是先锋公司首创的机床测头，专门用于加工中心、数控铣、锉床、车削中心、数控车床等数控机床。这类测头具有价格低，使用简单。用于单件、小批量生产工况或比较简单的测量要求；用于在加工之前工件、工装的定位检测；加工过程中和加工结束后工件尺寸的检测。通过测试测头验证了系统的测量精度，综合机床和测头的各项因素，系统在机床