王 磊 房師平 張寶柱

（山起重型機械股份公司技術(shù)中心，青州 262515）

“模塊化設(shè)計”概念及設(shè)計方法于上個世紀五十年代在歐美國家發(fā)展開來，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，“模塊化設(shè)計”已經(jīng)進入到各行各業(yè)當中，如建筑、機械等。模塊化設(shè)計是以有限的模塊，組合形成新產(chǎn)品，既滿足用戶個性需求，又保證生產(chǎn)批量化，從而降低成本。國外多家知名起重機公司早已應(yīng)用模塊化設(shè)計方法，不僅降低了設(shè)計人員的工作量，而且縮短了供貨周期，并且模塊化設(shè)計在安裝、運輸和維修方面也明顯減少了人力物力，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

近幾年隨著市場的競爭和我國“綠色制造技術(shù)與裝備”項目提出，起重機行業(yè)迎來自身發(fā)展的黃金時期，各起重機生產(chǎn)制造企業(yè)打破傳統(tǒng)單一設(shè)計方法，針對起重機端梁以及車輪組進行模塊化設(shè)計。模塊化設(shè)計主要針對產(chǎn)品部件功能進行模塊劃分，實現(xiàn)專業(yè)化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本。所以說模塊化技術(shù)是綠色制造和輕量化設(shè)計的重要組成部分。

1 模塊化端梁的結(jié)構(gòu)

模塊化端梁分焊接箱形梁、方矩管箱形梁兩種結(jié)構(gòu)。

1.1 焊接箱形梁

箱型梁結(jié)構(gòu)由4塊鋼板焊接而成，腹板厚度比QD系列增大，可同時滿足箱型梁有翼緣和無翼緣的設(shè)計。端梁的截面尺寸主要由大車車輪的軸承間距和大車車輪直徑確定，選擇適當?shù)陌搴駶M足剛度和強度的要求，如圖1所示。端梁端部兩腹板落在車輪軸承箱上，端梁與大車運行機構(gòu)采用螺栓連接，即端梁的腹板與車輪軸承箱連接板通過螺栓連接。大噸位起重機采用鉸接端梁結(jié)構(gòu)形式，兩根端梁間采用具有一定柔性的鉸接連桿，如圖2所示。

1.2 方矩管箱形梁

根據(jù)《結(jié)構(gòu)用冷彎空心型鋼》（GB6728-2002）要求制作方矩管，減少焊接工作量，方矩管端梁如圖3所示。

2 模塊化端梁專用加工裝備研究目的及意義

起重機制造廠家端梁采取模塊化設(shè)計可實現(xiàn)工藝過程的典型化和工裝標準化，便于組織生產(chǎn)和經(jīng)營，以實現(xiàn)專業(yè)化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本。通常采用模塊化端梁結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 研究的內(nèi)容及要求

3.1 研究內(nèi)容

開展模塊化端梁結(jié)構(gòu)件的定位點、定位精度研究；研發(fā)集結(jié)構(gòu)件定位、組焊、加工于一體的模塊化端梁批量生產(chǎn)工藝與關(guān)鍵焊接工藝裝備。該設(shè)備主要由專用銑床、組合平臺、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。

圖1 焊接箱形端梁截面示意圖

圖2 焊接箱形端梁示意圖

圖3 方矩管端梁示意圖

圖4 模塊化端梁

3.2 端梁規(guī)格

5～50t方矩管端梁結(jié)構(gòu)如表1、表2所示。

75～100t焊接箱形端梁結(jié)構(gòu)如表3所示。

3.3 標準中對端梁加工精度要求

起重機和小車運行機構(gòu)的車輪基距為e（8輪和8輪以上的最上層運行平衡架軸間水平距離為e）時的公差Δe，如圖5所示。

當 e≤ 3m時，Δe=±4mm； 當 e＞ 3m時，Δe=±1.25e mm，e單位為m。

表1 5～50t方矩管端梁四輪結(jié)構(gòu)對應(yīng)表

表2 5～50t方矩管端梁八輪結(jié)構(gòu)對應(yīng)表

表3 75～100t焊接箱形端梁

導(dǎo)向輪或帶輪緣車輪水平偏斜ΔF如圖6所示。

圖5 起重機與小車運行機構(gòu)車輪基距

一般來說，小車和起重機對導(dǎo)向輪水平偏斜ΔF≤0.4a mm，a單位為m；對帶輪緣車輪輪水平偏斜ΔF≤0.4e mm，e單位為m。

車輪接觸點高度公差為Δhr，如圖7所示。

圖6 導(dǎo)向輪或帶輪緣車輪水平偏斜

圖7 車輪接觸點高度公差

當 S≤ 2m時，Δhr≤ 2mm； 當 S＞ 2m時，Δhr≤2+0.1（S-2）mm，S單位為m。

鏜孔型軸承箱車輪在水平投影面內(nèi)車輪軸中心線傾斜度為φr，如圖8所示。

圖8 車輪在水平投影面內(nèi)車輪軸中心線傾斜度

小車和起重機的φr=0.5‰。

4 研究的過程和方法

課題組根據(jù)模塊化端梁系列生產(chǎn)的工藝要求以及關(guān)鍵加工工藝對裝備的要求，向?qū)I(yè)生產(chǎn)設(shè)備廠家學(xué)習(xí)，并查閱相關(guān)資料。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計和試制了該專用裝備，該裝備主要由床身、立柱總成、絲杠總成、進給系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成，如圖9所示。

圖9 機床結(jié)構(gòu)布局形式圖

4.1 機床結(jié)構(gòu)布局形式

本機床系吸收國外技術(shù)設(shè)計有點，即相同兩組立柱固定在床身兩邊，在立柱上裝有滑枕式鏜銑頭（主軸），組成了立柱式式對稱形結(jié)構(gòu)，具有較高的熱對稱性，整機剛性高，穩(wěn)定性好，具有較高的動靜特性，機床定位精度高。

機床的三個直線運動坐標軸分別是：（1）工作臺縱向移動，即X坐標軸；（2）滑枕座溜板沿橫梁移動，即Y坐標軸；（3）滑枕軸向移動，即Z坐標軸。

4.2 基礎(chǔ)件

機床的床身、工作臺、立柱、橫梁和滑枕座等大件材質(zhì)均為優(yōu)質(zhì)鑄鐵件，主軸滑枕采用球墨鑄鐵材質(zhì)，并經(jīng)多次時效處理。機床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了FEM有限元分析等優(yōu)化技術(shù)，使之剛性進一步提升。本機床的床身、工作臺為封閉的箱型結(jié)構(gòu)，并布置加強筋，采用多點支承方式；立柱、床身為大截面，縱橫布有加強筋條，具有足夠的抗彎、抗扭強度和較高的基礎(chǔ)件剛性，可滿足重負荷切屑加工要求。

4.3 機床導(dǎo)軌

機床的X、Y坐標導(dǎo)軌分別采用4條和2條進口大規(guī)格重載滾動直線導(dǎo)軌，該導(dǎo)軌承載大、精度高、動態(tài)剛性好，且直線導(dǎo)向精度優(yōu)良，能長期保持精度穩(wěn)定性，確保了工作臺的負重能力和剛性；Z軸采用貼塑滑動導(dǎo)軌，具有運動摩擦小、動靜摩擦系數(shù)接近、耐磨損、吸振性好以及高頻振動小等優(yōu)點。

4.4 主軸軸系

主軸采用氮化鋼，且經(jīng)多次熱處理精密加工；主軸軸承采用剛性好、精度高的進口軸承，主軸轉(zhuǎn)速為20～3000r/min，主傳動采用兩檔液壓變速，變速范圍寬，主軸轉(zhuǎn)速高、輸出扭矩大；主軸拉刀采用蝶簧夾緊，液壓松開，為防止主軸在高速旋轉(zhuǎn)時，軸承溫升過高而影響主軸精度，本設(shè)計采用恒溫油冷卻以降低軸承及傳動齒輪的發(fā)熱，保證了主軸回轉(zhuǎn)精度。另外，主軸中心靠近滑枕導(dǎo)軌中心，具有最佳的剛性、穩(wěn)定性，滑枕（主軸箱）采用雙油缸液壓平衡，運動平穩(wěn)，有效減少Z軸滾珠絲杠的承重和磨損，主軸結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 主軸總成圖

此外，機床主軸回轉(zhuǎn)運動采用了日本FANUC原裝交流主軸伺服電機，并經(jīng)齒輪副傳動至位于滑枕內(nèi)的主軸，進而實現(xiàn)主軸回轉(zhuǎn)運動。機床主變速箱采用高、低二檔液壓自動變速，具有變速范圍寬，功率損失小、輸出扭矩大的特點。

4.5 直線進給機構(gòu)

機床的Y、Z直線進給機構(gòu)采用德國西門子1FT6交流伺服電機，驅(qū)動進口高剛性預(yù)載滾珠絲杠螺母副實現(xiàn)各坐標軸的進給，具有傳動結(jié)構(gòu)合理、緊湊、傳動效率和傳動精度高等優(yōu)點。Z軸伺服電機帶抱閘制動功能，可防止意外停電時滑枕下墜。X軸采用伺服電機＋減速機＋雙小齒輪＋高精度磨削齒條傳動結(jié)構(gòu)，由數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)同步控制，通過電氣調(diào)整方式自動消除齒輪、齒條間的傳動間隙，實現(xiàn)了X軸無間隙傳動。

4.6 機床潤滑和液壓系統(tǒng)

機床主變速箱傳動齒輪、軸承均采用機械油潤滑，導(dǎo)軌、滾珠絲杠螺母副采用定時定量自動潤滑泵潤滑，潤滑效果穩(wěn)定、可靠。機床主軸軸承采用進口油脂潤滑進行潤滑。機床床身導(dǎo)軌（X 軸）、橫梁導(dǎo)軌（Y 軸）采用不銹鋼伸縮式防護罩。導(dǎo)軌防護

機床的液壓系統(tǒng)由液壓箱集中向機床供油，其功能為主軸松拉刀、主軸變速、機床部分的潤滑等。液壓箱內(nèi)的液壓油及恒溫油分別由各自的油泵供油，采用大容量油溫冷卻機控制油溫，提高了液壓元件的使用壽命和液壓系統(tǒng)工作可靠性。

4.7 機床數(shù)控系統(tǒng)與相關(guān)技術(shù)參數(shù)

采用FANUC 0i-MD數(shù)控系統(tǒng)，有中文支持、人機對話、軌跡顯示、故障自診斷、自動報警或提示等功能，數(shù)據(jù)存儲可通過PCMCIA、RS232接口完成。同時，機床配備懸掛式操作站臺，操作方便可靠，復(fù)合人機工程學(xué)。機床配有冷卻循環(huán)過濾排屑裝置，可滿足一般加工中工件冷卻需要。機床總裝圖如圖11所示。

圖11 機床總裝示意圖

機床主要技術(shù)參數(shù)如下：外形尺寸（長×寬×高）為 8200mm×2400mm×3200mm；機構(gòu)行程 X軸為 6000mm，Y軸為1100mmZ軸為200mm；主軸功率為11kW,X、Y、Z軸功率為1.2kW，控制系統(tǒng)為FANUC 0i-MD；主軸轉(zhuǎn)速為6000rad/min，最快移動速度為2000mm/min，重復(fù)定位精度0.05mm，最大加工件長度為6000mm，最大加工高度為1100mm，最大加工件寬度為650mm；機床重量約30t，工件重量最大15t。

4.8 簡述模塊化端梁加工過程

首先將焊接合格后的端梁吊放在裝置平臺上，在自由狀態(tài)下找正，找正后用專用夾具將端梁的兩端夾、壓緊，待加工。

其次將型號合適的專用銑刀盤裝配到雙面銑進給總成上，沿Y軸方向調(diào)整好待加工位置，沿X軸方向開動兩側(cè)的立柱總成，一次性將端梁兩側(cè)面應(yīng)該加工的位置加工完成。

最后更換合適型號的玉米銑刀，先粗銑端梁兩端的車輪安裝孔，根據(jù)圖紙尺寸留下1～1.5mm的精加工余量。再裝配精加工玉米銑刀，重復(fù)以前的操作程序，將車輪安裝孔加工至圖紙所要求的尺寸。

值得注意的是，在簡化過程中，需要根據(jù)車輪安裝螺栓規(guī)格型號選取合適鉆頭，裝夾到Z向軸上，根據(jù)圖紙尺寸要求，輸入程序完成車輪安裝螺栓孔的加工，并檢驗上述各加工工序是否達到尺寸要求，合格后轉(zhuǎn)入下工序待安裝。

5 結(jié)語

模塊化端梁專用加工裝備采用專用銑床+輔助機構(gòu)，實現(xiàn)模塊化端梁與軸承室高精度配合，一次裝夾完成全部加工工序，提高端梁的互換性、通用性，使端梁加工交檢合格率提升至99%，有效提高制造效率，實現(xiàn)大批量生產(chǎn)模式，縮短生產(chǎn)周期30%～50%。該裝備的使用直接改變了起重機制造企業(yè)的生產(chǎn)模式和工藝布局，為起重機制造企業(yè)轉(zhuǎn)方式、結(jié)構(gòu)調(diào)整創(chuàng)造了條件。該裝備采用當代先進的機械、電氣與液壓技術(shù)，機床采用了日本FANUC 0i-MD數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)任意三軸聯(lián)動加工，并具備一次裝夾完成鉆孔、擴孔、鏜孔、切溝槽以及平面等銑削加工功能。此外，該機床可配合多種附件銑頭及附件，進一步擴大加工范圍，實現(xiàn)一次裝夾、多面多工序加工目的。