精密制造与自动化 ２０１１年第３期 超重型精密数控轧辊磨床设计木 段斌华 （上海机床厂有限公司 上海２０００９３） 摘要 以超重型精密数控轧辊磨床设计为对象，阐述了机床的结构特征、设计难点及创新内容。利用有限元分 析方法和仿真技术，对机床各主要部件进行了静力学、动力学的分析研究。针对国家“高档数控机床与基础制造 装备科技重大专项课题” “ＭＫＡ８４２５０／１５０００一Ｈ超重型精密数控轧辊磨床”项目，介绍了在设计开发过程中 所运用的新技术、新机构和新工艺，通过了国家机床质量监督检验中心的检验及专家的技术鉴定，为企业提供了 超大型重型轧辊的表面磨削基础制造装备，为超重型精密磨床设计提供了新思路。 关键词 超重精密数控轧辊磨床关键技术 先进水平 由上海机床厂有限公司设计、制造的特大型精 拖板带着砂轮架在后床身上作纵向移动，砂轮架采 密数控轧辊磨床（国家科技重大专项课题）。它可 用静压闭式导轨在拖板上作横向移动。砂轮主轴由 顶持加工最大直径为２．５ ｍ，最大长为１５ ｍ，最大 静压轴承支承旋转，通过计算机控制，实现微量进 质量为２５０ ｔ的特大型零件。它突破了多项关键技 给及曲面磨削。工件装夹在前床身上的头、尾架顶 术，如超重载荷工件顶持系统，超重载荷工件驱动 尖之问，由头架驱动旋转，并可实现无级调速。机 系统，超重载荷引起的机床变形对加工精度的影 床配备有可调整的工件托架，用于托持细长型的工 响，超大型在机测量系统及数据处理，高精度、高 件。尾架可沿前床身自动移动及夹紧，尾架项尖可机 刚度砂轮主轴系统，超大型、超精密轴承精化技术 动伸缩１５０ ｍｍ，并配有工件顶紧力检测装置。同 等，各项指标达到了国家“高档数控机床与基础制 时，尾架上装有砂轮修整器，砂轮自动测径装置、自 造装备”科技重大专项课题任务合同书的要求。 动修整控制装置等，以备自动磨削，自动修整用。 ＭＫＡ８４２５０／１５０００．Ｈ超重型精密数控轧辊磨 床，是目前世界上最大的顶磨型精密数控轧辊磨 床。它不仅加工范围大、承载重量重，而且加工精 度高。可一次装夹完成轧辊辊身、辊颈、托肩等外 圆、锥面等部位的粗磨、半精磨、精磨工序的加 工。同时，还可磨削加工外圆的正弦曲面、余弦曲 面、抛物线曲面及ＣＶＣ曲面。可加工超大型轧辊、大 型压辊、大型及超大型发电机转子、汽轮机转子等 回转类零件。该机床已于２０１０年交付用户使用。 １ 超重型精密数控轧辊磨床及主要结构特点 １．１机床外形及概述 图１ ＭＫＡ８４２５０１１５０００一Ｈ超重型精密轧辊磨床 ＭＫＡ８４２５０／１５０００．Ｈ超重型精密数控轧辊磨 床，是一种砂轮架移动式数控轧辊磨床。床身分为 ＭＫＡ８４２５０／１５０００ Ｈ超重型精密数控轧辊磨 前、后两体，使磨削精度不受工件重量和运动的影 床，为五轴三联动数控轧辊磨床。它采用西门予 响。 ８４０Ｄ数控系统及自主开发的“ＳＧＳ磨削之星”轧 辊磨床专用软件，实现对拖板纵向进给运动、砂轮 国家高档数控机床与基础制造装备重大专项资助项目 架横向进给运动和两测量臂相互移动的控制等。数 （编号：２００９ＺＸ０４００２．０７１） 控系统可实现自动进给、自动补偿、自动修整砂 ２４ 段斌华超重型精密数控轧辊磨床设计 轮、自动测量及自动数据处理等自动循环。机床还 配有砂轮自动平衡系统，自动控制温度的砂轮主轴 润滑系统、头架润滑系统、尾架润滑系统及静压托 架润滑系统。以及大流量，带磁性分离器和纸质过 滤器的冷却系统。 ＭＫＡ８４２５０／１５０００．Ｈ超重型精密数控轧辊磨 床，采用世界先进的头、尾架结构支承及驱动２５０ ｔ 的工件平稳运转。采用先进独特的砂轮架结构，保 证磨削精度及磨削效率。采用双伺服电机消隙系统 驱动拖板，保证拖板运行的平稳性。采用双伺服电 机驱动两测量臂的移动，使其能测量直径４００ ｍｍ 至２ ５００ｍｍ、１５１ＴＩ长的工件。此机床长３３．６９ｍ、宽 １３．８８ １ＴＩ、高５．５ １ＴＩ，是特大型的精密数控轧辊磨床。 １．２机床主要规格 最大磨削直径 ２ ５００ ｍｍ 最小磨削直径４００ ｍｌＴｌ 最大磨削长度 １５ ０００ ｍｍ 工件最大质量 ２５０ ０００ ｋｇ 直径测量范围４００￣２ ５００ ｍｍ 头、尾架顶尖角度 ６０。，７０。，７。，９０。 工件转速范围（无极） ０．５～３０ ｒ／ｍｉｎ 砂轮尺寸（外圆直径×宽度×内孔直径） １ １００ ｍｍ×１００（１２０）ｍｍ×５０８ ｍｍ 砂轮线速度（恒线速）４５ ｍ／ｓ 砂轮架最小进给量 ０．００１ ｍｍ １．３主要工作精度 圆度 ０．００３ ｍｍ 纵截面内直径一致性０．００３ ｍｍ／ｍ 棍形误差 士Ｏ．００２ ５ ｍｍ／ｍ １．４头架 ＭＫＡ８４２５Ｏ／１ ５０００一Ｈ超重型精密数控轧辊磨床 的头架（如图２所示）是机床的主要部件，根据设 计要求，头架必须能够承载２５０ ｔ的工件质量，并 驱动工件平稳运转，经磨削后的工件表面要没有缺 陷，达到很高的精度。为此，头架应该能同时承受 垂直最大１５０ ｔ的压力和水平最大２００ ｔ的推力。通 过计算机对头架壳体、高精度轴承、主轴、顶尖及 主要零件的反复计算、有限元分析、修整，最终得 出了高刚性、高可靠性、结构先进、合理的头架结 构。通过测试、现有条件的磨削实验，工件没有振 纹、细微的多棱等磨削缺陷，并达到了要求的精度。 图２头架外形图 在头架轴承位置处，均设有温度自动跟踪、监 控和报警系统。温度监控范围，根据磨床所处的不 同地域进行设置。 头架顶尖，是使用了专门的材料，专门的工艺 制造而成的高刚性、高强度及高抗磨性的专用顶 尖。能有效地顶持２５０ ｔ载荷工件，实现超重载荷 工件的有效磨削。 工件由大功率电动机驱动，交流变频器调 速，计算机控制，使工件获得０．５～３０ ｒ／ｍｉｎ的转速， 并可在该范围内实现转速无级调整，可通过操纵台 上的转速指示器来显示。 １．５尾架 尾架（如图３所示）同头架一样，也是机床的 主要部件，同样要承载２５０ ｔ工件重量，保证工件 平稳运转，使磨削的工件没有缺陷，并达到很高的 精度。所以，尾架也必需能同时承受垂直最大１５０ ｔ 的压力和水平最大２００ ｔ的推力。不同的是尾架分 上、下两层，安装在工件床身上。上层可横向微量 图３尾架外形图 ２５ 精密制造与自动化 移动，调整头、尾架顶尖中心连线与拖板运动方向 的平行度。下层带着上层可沿着工件床身纵向移 动，并具有夹紧、止退功能。同时，尾架顶尖具有 自由伸缩及夹紧功能。所以结构更为复杂。 为了保证尾架运动的安全性、平稳性、可靠性 及回转的高精度，通过计算机对尾架壳体、高精度 轴承、主轴、套筒、顶尖及主要零件的反复计算、有 限元分析、修整，最终得出了高刚性、高可靠性、结 构合理、先进的尾架及尾架移动结构。通过测试、现 有条件的磨削试验，尾架安全可靠，运行平稳，并 达到了设计的要求。 尾架正面，有一顶紧力显示器，显示尾架顶尖 对工件顶紧力的大小，并可设置顶紧力大小变化的 范围。若顶紧力的变化超出了设定的范围，机构会 报警提示。 尾架顶尖同头架顶尖一样，是用专门的材 料，专门的工艺制造而成的高刚性、高强度及高抗 磨性的专用顶尖。能有效地顶持２５０ ｔ载荷工件，实 现超重载荷工件的有效磨削。 １．６砂轮架 砂轮架（如图４所示）采用了高精度、高刚 性、紧凑型的设计结构，能承受较大的磨削负载及 连续长时间工作的能力。砂轮架导轨采用了平一Ｖ 型闭式静压导轨，高精度进给用滚珠丝杆及高精度 专用轴承，以满足高精度进给的需要，并确保砂轮 架进给的平稳性。 图４砂轮架外形图 砂轮架配有砂轮自动平衡系统，可在磨削过程 中在线纠正砂轮的不平衡量，以保证磨削精度。 砂轮主轴静压轴承各腔压力的平稳性由计算 机监控，当突然断电或压力超出设定的范围时，计 ２６ ２０１１年第３期 算机报警，同事砂轮架快速后退，以免损坏大型工 件。各油箱均配备有温度自动控制系统，其温度控 制范围是可调整的，因地区不同而有所不同。若温 度的变化超出了设定的范围，计算机会报警提示。 １．７拖板 拖板（如图５所示）是承上启下的重要部件。它 运动的平稳性，直接影响安装在它上面的砂轮架的 进给精度和自动测量装置的测量精度。经过反复计 算、有限元分析、修整，最后确定。拖板导轨采用 闭式静压润滑，使其有足够的刚性及运动平稳定 性。拖板驱动机构，采用了当前世界先进的双伺服 电机、双齿轮消隙机构驱动。通过计算机控制，使 其在静态和动态情况下，始终处于消隙装态。保证 运动的刚性、平稳性及运动精度。从而保证砂轮架 的进给精度、自动测量系统测量精度。 图５托板及进给机构外形图 拖板可在计算机控制下，获得０～５ ０００ ａｒｍ／ｒａｉｎ 的纵向移动速度，并在该速度范围内实现无级调 速。 拖板的润滑系统是自动控制循环系统，并配有 温度自动控制单元。其温度控制范围是可调整 的，因地区不同而有所不同。若温度的变化超出了 设定的范围，计算机会报警提示。 １．８ 自动测量装置 自动测量装置（如图６所示）采用了当前最为 先进的设计结构，最人限度地避免外界各种因素对 测量精度的影响，确保测量精度的有效性。通过计 算机控制，能自动测量工件的尺寸、圆度、纵截面 内直径的一致性、同轴度、辊形曲线等。并能将测 得的数据以图形的形式显示，并记录、保存在计算 棚 中。 段斌华超重型精密数控轧辊磨床设计 图６自动测量装置外形图 自动测量装置，由测量支架、横梁、移动机 构、测量臂组成。分内、外测量臂，各测量臂均 为计算机独立控制的驱动结构。可单臂测量，也 可双臂同时测量。单独测量时，可边磨削边测量。 自动测量装置，最大可测直径２．５ ＩＴＩ，最小可 测直径Ｏ．４ ｍ。测量范围如此之大，又要保证测量 的准确性、可靠性、稳定性，是一个很大的难题。为 此，采用了先进的、稳定性好的结构，并选用了材 质轻、刚性强、热变型小的材料，最大程度上消除 和避免外界因素对自动测量机构的影响。并通过计 算机进行了静力学、动力学分析验证。同时，测量 机构配备了测量校准装置，根据测量装置使用的频 繁度、要求测量的精确度，每次或定期校验自动测 量装置的误差并修正。 ２ 超重型精密数控轧辊磨床关键技术 自主设计、研发的超重型精密数控轧辊磨 床，是目前世界上最大的顶磨型数控轧辊磨床。涉 及到多项关键技术的研究。 ２．１ ２５０ ｔ重型轧辊的顶磨工艺 超重型精密数控轧辊磨床采用顶磨方式对轧辊 进行磨削，即工件支撑在两端的顶尖上进行加 工，实现最大重量２５０ ｔ、最大直径２．５ ｍ、最大长度 １５ ｍ轧辊的高精度磨削。这需要能够支承２５０ ｔ重 工件的头、尾架轴系和高强度的顶尖。怎样设计的 结构能满足这一要求呢？ ２．２高性能头、尾架结构设计 超重型数控轧辊磨床要求头架结构能同时承 受垂直最大１５０ ｔ的压力和水平最大２００ ｔ的推 力，还必须能驱动２５０ ｔ重工件平稳运转，磨削过 程中不使工件产生振纹及其细微的多棱等磨削缺 陷，保证主轴的回转精度。同样，尾架结构也必须 能同时承受垂直最大１５０ ｔ的压力和水平最大２００ ｔ 的推力，并要求尾架结构能在工件床身上自动移 动、自动夹紧，并能抵抗２００ ｔ的反作用力，而不 发生位移，以保证工件的加工精度及机床安全。 ２．３大型超精密轴承精化设计 头、尾架主轴回转轴承均为超大型、超精密级 轴承，是西方国家向中国禁运产品。超精密轴承的 精化设计解决这一难题，开发出径向跳动０．００２ ｉＹｌｎ＇ｌ、轴 向跳动０．００２ ｍｍ的头、尾架主轴系统。 ２．４高精度、高刚度砂轮架设计 高精度、高刚度砂轮架静压主轴系统设计、砂 轮架静压导轨系统设计及砂轮架微进给系统设 计。为实现轧辊的高精度磨削，砂轮架采用恒流液 压系统并配备有油温自动控制系统及砂轮自动平 衡系统 ２．５虚拟样机设计与机床动态性能分析 为了保证超重型数控轧辊磨床设计成功，采用 现代计算机设计技术，建立产品的虚拟样机，对其 进行静力学、动力学分析。发现设计过程中可能存 在的问题，加以改进。为了使虚拟样机仿真的试验 结果能够接近实际情况，需要开展对磨床加工过程 的动力学建模与性能仿真。通过虚拟样机设计与机 床动态性能分析，建立整机设计技术框架体系，从而 确定超重型数控轧辊磨床的整体布局和结构设计。 ２．６ 开发实现磨削任意曲线辊形的专用软件系统 研究任意曲线辊形的磨削方法，设计开发出了 数控专用软件系统。建立了基于ＰＣ操作系统的曲面 加工软件，实现了磨削程序的参数化编程、各种复 杂曲线的磨削控制等功能。使机床的自动化程度更 高，加工精度更高。 ２．７超大型在自动机测量系统的设计 通过研究，设计开发了结构先进，测量范围 ４００￣２ ５００ ｍｍ，测量精度圆度０．００３ ｍｍ，纵截面 内直径一致性０．００３ ｍｍ／ｍ的在机自动测量机构，并 具有边磨削边测量的功能。在机自动测量机构，可 实现轧辊的辊形、辊径、圆度、圆柱度等项目的自 动测量，并将采集的数据传输到计算机系统进行处 理，将结果显示在显示器上。 ２．８机床可靠性与精度稳定性的设计研究 机床的可靠性、精度稳定性与许多因素有 ２７ 精密制造与自动化 ２０１１年第３期 关，包括机床的结构、材料、加工工艺及装配 工艺等。超重型数控轧辊磨床与一般数控轧辊磨床 床，是目前世界上最大的顶磨型精密数控轧辊磨 床。具有自主知识产权的数控轧辊磨床专用软件及 在技术上的最大区别，在于必须考虑重载条件带来 的一系列问题，如工件平稳驱动的问题、工件重量 引起的机床变形问题等。通过大量计算、有限元 自动测量系统，能实现顶磨工件重量２５０ ｔ，并能实 现自动修整、自动磨削、自动测量等自动循环。该机 床具有自动温度监控、自动振动监控、工件顶尽力 自动监控、自动报警等功能，以保证机床工作的可 靠性及稳定性。 分析、动态模拟及试验，对机床整体结构及部件结 构进行优化设计，有效地避免了潜在的问题，以保 证重载情况下，机床加工精度的可靠性与稳定性。 作为新一代的数控轧辊磨床，在设计开发过程 中，运用新技术、新结构、新工艺突破了多项关键 技术，规避了风险。该机床已于２０１０年１１月２２ 目至１１月２５日在用户处，通过了国家机床质量监 督检验中心的检验。并于２０１１年ｔ月２５日通过了 由中国机械工业联合会组织的， 对 “ＭＫＡ８４２５０／Ｉ ５０００．Ｈ超重型精密数控轧辊磨床” 新产品的鉴定。 参考文献： ［１］ 机床设计手册编写组．机床设计手册［Ｍ］．北京：机 械工业出版社．１９８０． 图７用户正在使用中的超重型精密数控轧辊磨床 ［２］ 杜平安，甘娥忠，于亚婷．有限元法一原理、建模及应 用［Ｍ］．北京：国防工国防工业出版社．２００４． ３结语 ＭＫＡ８４２５０／１５０００一Ｈ超重型精密数控轧辊磨 （上接第２ｌ页） 结果分析： （１）由于激振点～侧的上弦杆、下弦杆、竖 ［３］ 顾伟彬，姚振强，胡俊．高速轧辊磨床微进给机构动力 学分析【Ｊ＿．工程设计学报，２００７，１４（６）：４６０—４６３． 颗粒阻尼器具有构思新颖、制造简单、使用方 便、减振效果明显的优点，是…种极具研究和开发 的阻尼产品。柔性带状的设计适合使用在管道、杆 状结构件的减振，在工程设计中，对现有设备减振 直腹杆都绑扎了柔性带状颗粒阻尼器，因此激振点 一侧的测点１、测点４减振效果较为理想。 （２）由于斜联杆没有绑扎柔性带状颗粒阻尼 器，主要受斜联杆的振动影响，测点２、测点３所测 结果不是令人满意，在５００ Ｈｚ附近出现振动加强现 象。这恰好反证了柔性带状颗粒阻尼器的减振效果。 （３）总的来讲，柔性带状颗粒阻尼器对桁架 模型有明显的减振作用，减振效果明显，减振频率 范围较宽。之所以在１００ Ｈｚ以上效果明显，这与柔 性带状颗粒阻尼器颗粒的材质、大小，封装紧密程 度，软管的选型，绑扎方式有关。 降噪改进方面是一种价廉物美的选择。 参考文献 ［１ Ｊ Ｋｅｌｌｙ ＪＭ，Ｓｋｉｎｎｅｒ ＲＪ．Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｎ ｓｐｅｃｉａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｕｓｅ ｉｎ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊｌ＿．Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ｏｆ Ｎｅｗ Ｚｅａｌａｎｄ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆ０ｒ Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．１ ９７２，５（３）：６３—８８． ［２］ 徐志伟．ＮＯＰＤ减振技术的理论研究及工程应 用［Ｄ］．西安：西安交通大学，１９９９． ［３］ 闰维明，黄韵文，何浩祥，等．颗粒阻尼技术及其在土木 ５结语 颗粒阻尼技术应用环境范围广，对原结构改动 小，产生的附加质量小，减振效果明显。柔性带状 工程中的应用展望［Ｊ］．世界地震上程，２０１０（４）．１８ ２４． ［４］ 邱锦忠．一种柔性颗粒阻尼器：中国，ＺＬ ２０１０ ２ ０２４１５９７．６『Ｐ］．２０１１—０３—１６． ２８