雷 超，賈 楠，楊曉東，閆 樂

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.西安理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，陜西 西安 710048；3.陜西歷史博物館，陜西 西安 710061)

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，特別是航空業(yè)和軌道交通、汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，我國(guó)對(duì)特鋼的需求快速增加，特別是對(duì)表面無(wú)缺陷、尺寸精度高的銀亮材的需求急劇提升，而高端銀亮材的生產(chǎn)設(shè)備基本依賴進(jìn)口，存在使用成本高，維修不方便，技術(shù)改造困難，投入大周期長(zhǎng)等問題，嚴(yán)重制約了我國(guó)銀亮材生產(chǎn)的規(guī)?；a(chǎn)，因此銀亮材的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化也成為了急需解決的問題[1,2]。

無(wú)心車床作為銀亮材生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，用于處理熱軋后棒材的表面缺陷，如細(xì)小裂紋和氧化層等，生產(chǎn)出較高表面粗糙度和尺寸精度的棒料，為后續(xù)深加工提供高精度原料。

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)可以自主生產(chǎn)加工直徑200 mm以下棒料的無(wú)心車床，但是其加工精度和自動(dòng)化程度依然與國(guó)外同類設(shè)備存在巨大差距，由于刀具磨損等導(dǎo)致棒材加工質(zhì)量穩(wěn)定性不高，或者需要人工根據(jù)生產(chǎn)棒料規(guī)格手動(dòng)調(diào)整設(shè)備造成人工勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題。而對(duì)于加工直徑200 mm以上棒料的全自動(dòng)化高端無(wú)心車床基本由國(guó)外進(jìn)口，因此對(duì)高端全自動(dòng)化的無(wú)心車床的研究并國(guó)產(chǎn)化成為必要的課題[3-5]。

而國(guó)產(chǎn)無(wú)心車床與進(jìn)口高端無(wú)心車床的加工精度差距和自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)瓶頸均為加工刀具的自動(dòng)化在線動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)，也高端無(wú)心車床最為關(guān)鍵的核心技術(shù)之一。本文針對(duì)無(wú)心車床的刀具自動(dòng)化在線動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)問題提出了一種基于差速輪系的自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)心車床在加工過程中的刀具在線動(dòng)態(tài)調(diào)整功能，保證了棒材的加工質(zhì)量和精度，實(shí)現(xiàn)了無(wú)心車床的全自動(dòng)化加工。

1 無(wú)心車床的結(jié)構(gòu)及工作流程

無(wú)心車床是采用被加工件運(yùn)動(dòng)而加工裝置固定的方式進(jìn)行棒料外圓切削的。

棒料在輔助裝置的作用下沿軸向運(yùn)動(dòng)穿過主動(dòng)力頭上的刀具位置，安裝在主動(dòng)力頭上的若干把專用刀具的主動(dòng)周向旋轉(zhuǎn)對(duì)被棒料進(jìn)行無(wú)心車削。這種被加工件軸向運(yùn)動(dòng)，而加工刀具旋轉(zhuǎn)的加工方式，相較于傳統(tǒng)車床因加工件旋轉(zhuǎn)而刀具移動(dòng)的加工方式，由于省去了人工上料、找正、夾緊等工序，極大的降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于棒料的批量連續(xù)生產(chǎn)。另外，由于在加工過程中，棒料是由前后兩組穩(wěn)定裝置夾緊固定，加工刀具位于中間位置，因此無(wú)心車床可適應(yīng)一定的棒料彎曲度，且對(duì)棒料長(zhǎng)度沒有限制，具有對(duì)棒料的直線度要求較低的優(yōu)點(diǎn)。此種加工方式具有效率高，尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，有利于大批量高效生產(chǎn)。[6-9]

1.1 無(wú)心車床結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，無(wú)心車床的主要部件包括夾送裝置、前穩(wěn)定裝置、主動(dòng)力頭、后穩(wěn)定裝置、直徑測(cè)量裝置、拉出裝置、快速出料裝置等，各部件有不同的功能和基本結(jié)構(gòu)。

圖1 無(wú)心車床的主要部件

(1)夾送裝置。用于將棒料夾緊并軸向送進(jìn)，提供棒料的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力。夾送裝置由夾送伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過減速器將轉(zhuǎn)動(dòng)分配至自對(duì)中的兩對(duì)可旋轉(zhuǎn)的夾送輥上，夾送輥采用V型輥，通過油缸驅(qū)動(dòng)夾在垂直方向上緊棒料，并在水平方向上通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸向送進(jìn)棒料。

(2)前穩(wěn)定裝置。用于在主動(dòng)力頭前部夾緊被加工件，起到固定作用，防止被加工件在加工過程中產(chǎn)生震動(dòng)。前穩(wěn)定裝置采用兩個(gè)伺服油缸驅(qū)動(dòng)，并通過四連桿結(jié)構(gòu)帶動(dòng)穩(wěn)定輥夾緊棒料。

(3)主動(dòng)力頭。用于車削被加工件，是無(wú)心車床的主要部件。主動(dòng)力頭采用大功率變頻電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，刀盤上安裝有若干把專用刀具用于車削棒料外圓。

(4)后穩(wěn)定器。用于在主動(dòng)力頭后部夾緊被加工件，起到固定作用，防止被加工件在加工過程中產(chǎn)生震動(dòng)。后穩(wěn)定器與前穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)類似，采用伺服油通過四連桿結(jié)構(gòu)帶動(dòng)穩(wěn)定輥夾緊被加工件。

(5)直徑測(cè)量裝置。用于實(shí)時(shí)檢測(cè)加工后的被加工件精度以動(dòng)態(tài)調(diào)整主動(dòng)力頭的刀具位置，保證加工質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)無(wú)心車床的自動(dòng)化控制的環(huán)節(jié)。

(6)拉出裝置。用于棒料尾部將要脫離夾送裝置時(shí)，夾緊并拉出棒料，保證棒料的持續(xù)軸向運(yùn)動(dòng)。拉出機(jī)構(gòu)通過油缸夾緊被加工件，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)拉出機(jī)構(gòu)本體并在導(dǎo)軌上做軸向運(yùn)動(dòng)拉出棒料，在拉出過程中速度與夾送裝置保持同步。

(7)快速出料裝置。用于棒料加工完成后將棒料快速送出無(wú)心車床?？焖倮鲅b置采用油缸驅(qū)動(dòng)夾緊輥夾緊棒料后，夾緊輥由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)快速旋轉(zhuǎn)，將棒料送出。

1.2 無(wú)心車床的工作流程

夾送裝置送進(jìn)棒料前，穩(wěn)定器夾緊棒料，主動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)切削棒料外圓后，穩(wěn)定器夾緊棒料，直徑測(cè)量裝置測(cè)量加工后的直徑精度,拉出裝置夾緊棒料，并拉出加工完成后由快速出料裝置出料夾緊裝置夾送新的棒料。無(wú)心車床在加工棒料時(shí)循環(huán)該流程，可實(shí)現(xiàn)對(duì)棒料的不間斷高速加工。

2 無(wú)心車床刀具動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)

無(wú)心車床的加工棒材的過程中，主動(dòng)力頭上的刀具動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)是保證被加工件精度和質(zhì)量的關(guān)鍵，是國(guó)內(nèi)外無(wú)心車床的主要技術(shù)差距所在，同時(shí)也是無(wú)心車床實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化的必要條件[10,11]。

針對(duì)此技術(shù)問題，本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)心車床刀具的動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)，如圖2所示。本調(diào)整機(jī)構(gòu)的核心在于差速輪系，通過差速輪系中伺服電機(jī)所帶動(dòng)的太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)調(diào)整刀具的進(jìn)給或者退回。

圖2 無(wú)心車床刀具動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)

無(wú)心車床的傳動(dòng)系統(tǒng)分動(dòng)力傳動(dòng)部分和調(diào)刀傳動(dòng)部分兩個(gè)部分。

動(dòng)力傳動(dòng)部分由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)齒輪、機(jī)床主軸、刀盤和刀具組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)齒輪與機(jī)床主軸固結(jié)將動(dòng)力輸出至機(jī)床主軸，機(jī)床主軸與刀盤連接并帶動(dòng)刀盤上的刀具做周向轉(zhuǎn)動(dòng)，用于切削棒材表面，去除表面缺陷。

調(diào)刀傳動(dòng)部分由調(diào)刀伺服電機(jī)、差動(dòng)輪系、輸出齒輪、復(fù)合齒輪、齒輪絲杠等組成。調(diào)刀伺服電機(jī)帶動(dòng)差動(dòng)輪系的太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，差動(dòng)輪系的外輪齒輪與驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合，輸出齒輪安裝在差動(dòng)輪系的行星架上與復(fù)合齒輪嚙合。輸出齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度由調(diào)刀伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)齒輪的共同作用決定，可在機(jī)床主軸上自由轉(zhuǎn)動(dòng)。復(fù)合齒輪是一個(gè)同時(shí)具有徑向齒圈和端面齒輪的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其徑向齒圈用于和輸出齒輪嚙合，端面齒則用于和齒輪絲杠的齒輪部分嚙合驅(qū)動(dòng)齒輪絲杠旋轉(zhuǎn)。齒輪絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)則通過絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)刀具在刀盤上徑向移動(dòng)，達(dá)到刀具調(diào)整的目的。

在調(diào)刀傳動(dòng)部分中，差動(dòng)輪系作為傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵，需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)達(dá)到調(diào)刀功能。為了使無(wú)心車床在工作過程中刀具可在線動(dòng)態(tài)調(diào)整，需滿足以下兩點(diǎn)：

(1)當(dāng)?shù)毒卟恍枰獎(jiǎng)幼鲿r(shí)，需保證刀具徑向固定，穩(wěn)定可靠，不產(chǎn)生滑移，因此需保證在不做刀具調(diào)整時(shí)，驅(qū)動(dòng)齒輪與復(fù)合齒輪不產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即差動(dòng)輪系對(duì)復(fù)合齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不產(chǎn)生影響。

(2)當(dāng)?shù)毒咝枰{(diào)整時(shí)，使驅(qū)動(dòng)齒輪與復(fù)合齒輪產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即差動(dòng)輪系對(duì)復(fù)合齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度產(chǎn)生作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，從而驅(qū)動(dòng)齒輪絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)刀具移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀具調(diào)整功能。

因此本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的差動(dòng)輪系的功能為：刀具不需要調(diào)整時(shí)，使調(diào)刀伺服電機(jī)靜止不動(dòng)時(shí)，即差動(dòng)輪系的太陽(yáng)輪固定時(shí)，差動(dòng)輪系轉(zhuǎn)化為行星輪系[12-17]，驅(qū)動(dòng)齒輪至復(fù)合齒輪的總傳動(dòng)比為1，即可保證刀具的徑向固定。

驅(qū)動(dòng)齒輪至復(fù)合齒輪的總傳動(dòng)比可寫為

(1)

令總傳動(dòng)比i為1，可以得到行星輪系的速比要求為

(2)

由于驅(qū)動(dòng)齒輪和復(fù)合齒輪均安裝在機(jī)床主軸上，且輸出齒輪與差速輪系外圈齒輪同心，為方便設(shè)計(jì)并符合機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的緊湊性要求，本文選用NGW形式的行星輪系。

已知NGW行星輪系內(nèi)部齒數(shù)的速比計(jì)算公式為

(3)

其中,zA為太陽(yáng)輪齒數(shù);zB為外輪內(nèi)圈齒數(shù)。

式(2)可寫為

(4)

此時(shí)，通過行星輪系及調(diào)刀機(jī)構(gòu)的齒輪齒數(shù)配比，使其滿足公式(4)，即可保證當(dāng)伺服電機(jī)靜止不動(dòng)，即差動(dòng)輪系的太陽(yáng)輪固定時(shí)，無(wú)心車床工作時(shí)刀具的徑向位置固定，刀具位置不做調(diào)整。

當(dāng)?shù)毒叩奈恢眯枰{(diào)整時(shí)，調(diào)刀伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，即差動(dòng)輪系的太陽(yáng)輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，差動(dòng)輪系的速比與其內(nèi)部齒數(shù)關(guān)系可寫為

(5)

根據(jù)太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速nA不同，從公式(5)可以得到三種情況。

因此，當(dāng)無(wú)心車床在持續(xù)加工棒材的過程中，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)差動(dòng)輪系的太陽(yáng)輪通過靜止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等三種模式可分別實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的固定、進(jìn)給和退回的三種控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)棒材加工刀具的在線動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3 調(diào)刀機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化控制

當(dāng)直徑測(cè)量裝置檢測(cè)到被加工后棒材因?yàn)榈毒吣p等原因產(chǎn)生尺寸偏差時(shí)或根據(jù)不同規(guī)格棒材需要刀具位置調(diào)整時(shí)，可通過自動(dòng)化程序控制調(diào)刀伺服電機(jī)對(duì)刀具進(jìn)行不停機(jī)的在線動(dòng)態(tài)調(diào)整，其調(diào)整流程如圖3所示[18-20]。

圖3 刀具動(dòng)態(tài)調(diào)整流程圖

通過該控制方法對(duì)刀具進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)調(diào)整，對(duì)刀具進(jìn)行在線刀具補(bǔ)償，可保證切削后棒料的直徑在整個(gè)加工過程中一直處于要求的公差范圍內(nèi)，也可根據(jù)棒材規(guī)格調(diào)整刀具開口尺寸，適應(yīng)新的棒材加工規(guī)格。這樣，切削刀具自動(dòng)化動(dòng)態(tài)在線調(diào)整的關(guān)鍵瓶頸就得以解決，實(shí)現(xiàn)了無(wú)心車床的整機(jī)的全機(jī)自動(dòng)化控制，確保無(wú)心車床的全自動(dòng)化，高質(zhì)量，高效來料加工。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)無(wú)心車床動(dòng)態(tài)調(diào)刀功能設(shè)計(jì)的基于差動(dòng)輪系的動(dòng)態(tài)調(diào)刀機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)心車床的在線動(dòng)態(tài)刀具調(diào)整，用于在線補(bǔ)償?shù)毒吣p和自動(dòng)刀具位置調(diào)整，提高了無(wú)心車床的加工精度，并基于自動(dòng)調(diào)刀功能實(shí)現(xiàn)無(wú)心車床的高度自動(dòng)化，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，保證無(wú)心車床的加工質(zhì)量，高生產(chǎn)效率。