當(dāng)代數(shù)控重型車床應(yīng)具備高承載、高速度、率、高精度、高自動(dòng)化等特性，機(jī)床的技術(shù)性能和特點(diǎn)包括機(jī)床結(jié)構(gòu)、工藝適應(yīng)性、精度、使用可靠性和宜人性等方面。
CK53100型數(shù)控單柱移動(dòng)立式車床的zui大加工直徑10000mm，zui大加工高度3000mm，zui大承載重量80t，除可以完成普通立式車床所有的車削工序外，還可以車削螺紋、錐體和各種旋轉(zhuǎn)曲面體。為滿足機(jī)床的特殊用途，備有電氣隨動(dòng)車削裝置，可隨動(dòng)車削非圓形變壁厚筒體、錐體、不等錐體、焊接坡口。本文重點(diǎn)介紹CK53100型數(shù)控單柱移動(dòng)立式車床的技術(shù)性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其關(guān)鍵技術(shù)。
一、國(guó)外同類機(jī)床的性能對(duì)比
目前，國(guó)外生產(chǎn)數(shù)控單柱移動(dòng)立式車床及銑車床的工廠有德國(guó)多列士-沙爾曼集團(tuán)（DORRIES－SCHARMAN）、意大利茵塞（INNSE）、日本東芝（TOSHIBA）、捷克勃朗斯柯（BLANSKO）等。德國(guó)希斯公司20世紀(jì)80年代末90年代初有自己的DV系列產(chǎn)品，性能和結(jié)構(gòu)處于當(dāng)時(shí)世界地位，但其90年代被多列士-沙爾曼集團(tuán)兼并。DORRIES公司的單柱立車，工作臺(tái)底座是滾動(dòng)導(dǎo)軌。捷克SKJT80－160A是普通型。意大利INNSE公司生產(chǎn)的是用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和鏜銑立柱拼合的產(chǎn)品。而生產(chǎn)過(guò)10米數(shù)控單柱移動(dòng)立式車床僅希斯一家。現(xiàn)列舉德國(guó)希斯DV40和武重的CK53100有關(guān)項(xiàng)目對(duì)比如下表：主要項(xiàng)目機(jī)床型號(hào)CK53100中國(guó)武重DV40德國(guó)希斯zui大加工直徑（mm）10,0003,000zui大加工高度（mm）3,0003,000zui大工件重量（t）8080zui大切削力（kN）6063工件卡爪徑向、軸向調(diào)節(jié) 徑向調(diào)節(jié) 非圓形變壁厚筒體試件長(zhǎng)短軸差100mm，隨動(dòng)車削后坡口精度（mm）±0.2（實(shí)測(cè)）無(wú)此項(xiàng)功能X坐標(biāo)試件精度0.03（實(shí)測(cè)）0.06（標(biāo)準(zhǔn)）Z坐標(biāo)試件精度0.015（實(shí)測(cè)）0.03（標(biāo)準(zhǔn)）工作精度（mm）圓度0.01圓柱度0.01/300圓度0.01圓柱度0.01/300工作臺(tái)精壓系統(tǒng)有溫控箱無(wú)溫控箱工作臺(tái)導(dǎo)軌形式預(yù)載恒溫恒流靜壓導(dǎo)軌預(yù)載恒流靜壓導(dǎo)軌工作臺(tái)保護(hù)電流、溫度、油壓斷電保護(hù)電流、溫度保護(hù)主變速箱結(jié)構(gòu)行星齒輪普通齒輪主軸結(jié)構(gòu)定心，給導(dǎo)軌加預(yù)載，恒定中心卸荷，給工作臺(tái)變形以反變形定心，給導(dǎo)軌加預(yù)載刀架滑枕運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌預(yù)載恒流靜壓導(dǎo)軌預(yù)載恒流靜壓導(dǎo)軌電氣隨動(dòng)車削裝置有無(wú)隨動(dòng)刀夾zui大移動(dòng)速度（mm/min）8,000無(wú)隨動(dòng)刀夾zui大切削力（kN）40無(wú)隨動(dòng)刀夾zui大行程（mm）100無(wú)滑枕垂直行程（mm）1,5001,400滑枕斷面（mm）240×280210×250主電機(jī)功率（kW）7571

二、運(yùn)行可靠性分析CK53100型數(shù)控單柱移動(dòng)立式車床在研制過(guò)程中進(jìn)行過(guò)多種試驗(yàn)，以檢測(cè)其工作可靠性。
1運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)：機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)包括空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)和載重運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，用以考核機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的工作性能。
2重切試驗(yàn)：重切試驗(yàn)用以考核機(jī)床的切削加工性能。
3整機(jī)聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)：確定工作程序（工作程序包括機(jī)床的所有功能和工作范圍0后，機(jī)床按工作程序進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)16小時(shí)以上，不出現(xiàn)故障。
結(jié)果，全部實(shí)驗(yàn)均順利完成，這說(shuō)明該機(jī)床的運(yùn)行可靠性良好，完夠滿足用戶的使用要求。
三、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
當(dāng)代重型機(jī)床的一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)典型化，設(shè)計(jì)模塊化。CK53100型數(shù)控單柱移動(dòng)立式車床整機(jī)遵循模塊化的原則設(shè)計(jì)，從全系列通用的角度考慮結(jié)構(gòu)，以10m數(shù)控立車為基型，向下可延至8n，向上可擴(kuò)展至12.5m。
工作臺(tái)、底座、主變速箱等主運(yùn)動(dòng)部分和床身、立柱、橫梁、刀架等進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部分不連接，相互之間的精度可以獨(dú)立調(diào)整，彼此不干擾，且可以將工作臺(tái)、底座、床身、立柱、橫梁、刀架等主要部件分別設(shè)計(jì)成若干模塊，以便用各種不同規(guī)格的模塊進(jìn)行拼合，滿足用戶選型的需要。
主運(yùn)動(dòng)部分：可控硅供電的寬調(diào)磁直流電機(jī)，通過(guò)一個(gè)兩檔變速的行星齒輪箱，帶動(dòng)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)。工作臺(tái)徑向采用高精度雙列圓柱滾子軸承定心，軸向采用預(yù)載恒流靜壓導(dǎo)軌并帶有溫控和溫度保護(hù)裝置，可根據(jù)負(fù)載和溫度，選用合適的流量。在機(jī)床突然斷電時(shí)，設(shè)計(jì)上考慮了用蓄能器作靜壓斷電保護(hù)。靜壓泵站帶有兩個(gè)蓄能器，在突然斷電后，仍能為靜壓導(dǎo)軌供油15秒，以免損壞導(dǎo)軌。
工作臺(tái)帶有徑向及軸向調(diào)節(jié)的卡爪。裝卡大于工作臺(tái)直徑的工件采用了的工件支承座。這種支承座能保證工件重量由工作臺(tái)靜壓導(dǎo)軌承受。支承座裝有扇形板，使整個(gè)支承座聯(lián)接成為一個(gè)整體，便于操作及工件的裝卡。
進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部分：溜板和滑枕的運(yùn)動(dòng)均采用預(yù)載恒流靜壓導(dǎo)軌，分別以交流伺服電機(jī)為動(dòng)力，由加有預(yù)載的滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)。
立柱在床身上移動(dòng)，采用靜壓卸荷導(dǎo)軌。
橫梁體由前后兩部分拼合而成，接合面間用螺栓連接。橫梁沿立柱導(dǎo)軌上下移動(dòng)，采用特殊的靜壓卸荷絲杠螺母，牙型為鋸齒形，液壓調(diào)整到卸去60%～70%的總負(fù)載，仍保持滑動(dòng)絲杠螺母的自鎖特性。橫梁升降是通過(guò)安裝在立柱頂面的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其動(dòng)作順序如下：按下橫梁升降按扭→導(dǎo)軌面潤(rùn)滑供油→靜壓卸荷絲杠螺母供油→松開(kāi)橫梁卡緊→橫梁自動(dòng)上升（下降）到規(guī)定位置松開(kāi)按扭→橫梁自動(dòng)卡緊在立柱上，當(dāng)橫梁下降終止時(shí)，還會(huì)自動(dòng)回升10～20mm，以保證絲杠處于上升時(shí)同樣受力狀態(tài)。
床身與橫梁導(dǎo)軌和升降絲杠均具有防護(hù)裝置。
機(jī)床配有獨(dú)立的升降走臺(tái)，在地面和升降走臺(tái)上均有集中控制的操作臺(tái)，并配有手持單元。
電氣隨動(dòng)部分：裝有光柵尺的測(cè)量裝置在副滑座上，光柵民的反饋信號(hào)傳給高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)高速跟蹤伺服電機(jī)，通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)隨動(dòng)刀夾運(yùn)動(dòng)。
機(jī)床具有X、Z兩個(gè)坐標(biāo)軸及一個(gè)電氣隨動(dòng)軸（W軸），X、Z軸可聯(lián)動(dòng)，W軸具有高速即時(shí)跟蹤功能。機(jī)床采用Siemens FM－NC數(shù)控系統(tǒng)及Indromat高速即時(shí)跟蹤系統(tǒng)。
四、電氣隨動(dòng)車削裝置
CK53100數(shù)控單柱移動(dòng)立式車床的設(shè)計(jì)與制造集中了高速即時(shí)跟蹤技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助裝配技術(shù)、恒流恒溫靜壓技術(shù)、無(wú)間隙傳動(dòng)技術(shù)、全自動(dòng)液壓油循環(huán)技術(shù)、靜壓卸荷絲杠技術(shù)、橫梁卸荷梁技術(shù)、大型鋼結(jié)構(gòu)消除應(yīng)力技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)，屬知識(shí)密集型產(chǎn)品。尤其是高速即時(shí)跟蹤技術(shù)是該機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)。
電氣隨動(dòng)車削裝置原理與結(jié)構(gòu)示意圖
一般的數(shù)控立式車床，只能在圓形工件上車削焊接坡口。某些有特殊用途的大直徑非圓形變壁厚筒體、錐體、不等錐體焊接結(jié)構(gòu)件，工藝要求其焊接坡口鈍邊厚度必須保持一致。由于此類零件的徑向尺寸是變化的，加工坡口時(shí)，除X、Z軸兩軸聯(lián)動(dòng)外，還需在刀夾上增加一個(gè)電氣隨動(dòng)軸。車削時(shí)，使電氣隨動(dòng)軸的變化與工件徑向尺寸的變化同步，才能使加工焊接坡口的鈍邊厚度一致。在加工圓環(huán)外壁上的坡口時(shí)，車刀在徑向需隨圓環(huán)內(nèi)壁輪廓進(jìn)給；而加工圓環(huán)內(nèi)壁上的坡口時(shí)，車刀在徑向則需隨圓環(huán)外壁輪廓進(jìn)給。因此，要求數(shù)控重型立車具備電氣隨動(dòng)仿形車削的功能。根據(jù)使用要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套電氣隨動(dòng)車削裝置，成功地完成了此類零件的加工。
電氣隨動(dòng)車削裝置由三部分組成：l.即時(shí)測(cè)量反饋裝置；2.高速數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)；3.電氣隨動(dòng)刀夾。電氣隨動(dòng)車削裝置原理與結(jié)構(gòu)示意如下圖。即時(shí)測(cè)量反饋裝置由光柵尺1、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌2及即時(shí)跟蹤測(cè)量裝置3組成。光柵尺選用德國(guó)HEIDENHAIN高精度光柵尺，其輸出信號(hào)為方波信號(hào)，省去了正弦波轉(zhuǎn)換為方波的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，可提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。高精度直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，其動(dòng)靜摩擦因數(shù)小，導(dǎo)向精度高，機(jī)械響應(yīng)速度快。伸縮桿上裝有滾輪，滾輪在工件上滾動(dòng)，工件半徑變化的位移信號(hào)由光柵尺通過(guò)電纜傳至高速數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)。
高速數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)，對(duì)于位移反饋信號(hào)（即非圓形變壁厚筒體徑向尺寸變化信號(hào)）進(jìn)行處理后，經(jīng)電纜傳至即時(shí)跟蹤伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)高速跟蹤伺服電機(jī)，推動(dòng)隨動(dòng)刀夾移動(dòng)。數(shù)據(jù)處理時(shí)間為0.5ms，由于此系統(tǒng)響應(yīng)速度快，使隨動(dòng)刀夾具有很高的跟蹤速度及精度。高速數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)還可與SiemensFM－NC數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通汛。通過(guò)編程，數(shù)控系統(tǒng)向電氣隨動(dòng)車削裝置發(fā)出啟、停信號(hào)。當(dāng)電氣隨動(dòng)車削裝置工作異常報(bào)警時(shí)，高速數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)給數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出中斷信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)給二軸交流伺服系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，控制Z軸滑枕快速提刀，同時(shí)數(shù)控系統(tǒng)控制主電機(jī)停轉(zhuǎn)，這樣可避免損壞工件。此功能在工件加工過(guò)程中顯得非常重要。
電氣隨動(dòng)刀夾由高速跟蹤伺服電機(jī)8、刀夾座與刀夾體5、配速齒輪7、滾珠絲杠副6等組成。高速跟蹤伺服電機(jī)具有很高的靈敏度和精度，導(dǎo)軌座和刀夾體之間采用氟塑軟帶導(dǎo)軌，摩擦因數(shù)小，響應(yīng)快。采用油脂潤(rùn)滑，在刀夾體上有注油嘴，可定期加注潤(rùn)滑脂，刀夾有效行程為100mm，刀夾移動(dòng)速度可達(dá)8000mm/min，有很高的即時(shí)跟蹤速度和很好的精度。
工作時(shí)，即時(shí)測(cè)量反饋裝置的測(cè)量頭與非圓形簡(jiǎn)體4的內(nèi)壁接觸，啟動(dòng)數(shù)控立車工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，測(cè)量反饋裝置可即時(shí)測(cè)出非圓形筒體徑向尺寸的變化量，此信號(hào)傳輸?shù)礁咚贁?shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)，控制高速跟蹤伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)隨動(dòng)刀夾即時(shí)跟蹤，使電氣隨動(dòng)刀夾位移的變化與非圓形筒體徑向尺寸的變化同步，從而實(shí)現(xiàn)了電氣隨動(dòng)車削非圓形變壁厚筒體焊接坡口的功能。
試車時(shí)，使用電氣隨動(dòng)車削裝置加工大直徑超重型非圓形變壁厚筒體，筒體長(zhǎng)、短軸差為100mm，壁厚差為35mm，加工坡口為45°，鈍邊為5mm，加工后鈍邊誤差±0.2mm，優(yōu)于零件±0.5mm的精度要求，完夠滿足此類零件的加工要求。
數(shù)控重型立式車床是能源、冶金、交通、軍工等行業(yè)中，大直徑回轉(zhuǎn)體零件的主要加工設(shè)備。為適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的發(fā)展，以多功能、率、功能與工藝要求相適應(yīng)、價(jià)格適中的產(chǎn)品參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，是數(shù)控重型立式車床發(fā)展的重要特點(diǎn)。而CK53100數(shù)控單柱移動(dòng)立式車床基本具有這些特點(diǎn)，能使用戶以較經(jīng)濟(jì)的加工手段，獲得很高的加工精度和生產(chǎn)效率，其適用范圍相當(dāng)廣泛，因而發(fā)展前景十分廣闊。