钢轨焊缝精铣铣床设备方案及工作原理

（1）系统方案

钢轨焊缝精铣铣床主要由床身、执行机构、电控系统、液压系统、润滑、气动系统组成。

床身是指精铣机用以执行的工作台和防护装置，其主要包括底座、安装各项执行机构、护罩的平台和保护安全的护罩。执行机构是指执行铣床各项机械结构，它主要由转台、夹具、滑台等组成。电控系统是指本机床采用的数字控制系统、各种传感器、控制元件等，主要负责对机床的精确控制和检测。液压系统主要提供夹具的松开与夹紧、机床的移动等动力。考虑到液压系统控制的精度问题，设备的进给、回转台的旋转以及加工的动力不由液压控制，其他的动力部分基本采用液压供给。润滑系统是负责对整个机床需要集中润滑的活动部分进行润滑。气动系统在本机床中仅在接触式检测的上下进给中用到。

（2）工作原理设计

钢轨焊接的行业标准中对钢轨焊缝平直度的要求是在钢轨的纵向1m范围内进行测量。要达到1m范围内的平直度要求，铣刀的走向也必须采用纵向铣削的方法。处于铣削空间大小的考虑，本设备采取单头的纵向铣削方式对钢轨焊缝进行加工。铣削加工根据钢轨加工面的隔断弧度的不同，在钢轨截面上可以分为17刀，其分布如图5-35、图5-36所示。

图5-35　钢轨焊缝精铣机床加工示意图

图5-36　钢轨焊缝精铣机床铣削分度示意图

精铣机加工流程如图5-37所示。轨道到位对准焊缝后夹具夹紧，先检测平直度，经过计算处理，确定铣削区间，再检测每个角度的入刀点和收刀点的坐标值。转台按设定的角度每次转到位后，X轴与Z轴做插补铣削，本设备采用盘铣刀多角度铣削方式。每次都是从左向右铣削，铣削完成后转台、X轴与Z轴回到初始位置，同时夹具松开，铣削完成。

图5-37　精铣机加工流程图

（3）系统研发

钢轨焊缝精铣铣床主要由床身、执行机构、电控系统、液压系统、润滑系统组成。

1）床身。床身主要部件有床身移动装置和防护装置。

A.床身移动装置。床身移动装置是机床的安装平台，它由滑座、滑台、支架、油缸组成。它可实现慢、中、快3种运行速度。滑座、滑台通过优质型材焊接而成，焊后经时效、粗加工时效、精细加工等多到工序加工，保证其安装平台精度稳定。

B.防护装置。机床的防护是保障机床正常工作和人员安全的必备装置。本机床的防护包括内防护和外防护。

内防护由纵向移动装置、垂直移动装置的防护，铣削动力头、夹具上的挡屑防护、地基周边的地沟踏板等组成。

外防护是将机械、液压、电气等全部进行防护装置。它可将机床内的加工铁屑、噪声与外界隔离，做到无公害加工，又可防止其他外界因素对机床的不良伤害。外防护由骨架、外罩、安全门、排气孔、观察窗、照明等组成。

2）执行机构。机床内部机构见图5-38。

图5-38　机床外观图

外夹具是对钢轨的夹持重要部件，它由前、后两套夹具共同来完成对钢轨的夹持。外夹具由限位轮、水平夹持、垂直夹持等装置组成。

垂直夹具由油缸、偰铁机构组成。水平夹具由油马达、正反丝杆付、滑动导轨实现。

限位轮装置由上限位轮、侧限位轮、下限位轮组成。它主要是用来引导长钢轨顺利进入本机床工作区。它们的安装形式虽然有所不同，但其内部结构基本相似。它由支架、滚轮轴、轴承、油杯组成。

水平夹持通过正反螺纹丝杆付实现钢轨扶正、抬起、夹紧等功能。水平夹具由油马达、正反螺纹丝杆、左右螺母、轴承、压块、支承块、可调挡铁等零件组成。

垂直夹具由油缸、推头、压紧头、滚子、偰铁等零部件组成。

内夹具仅有垂直夹持功能，它是外夹具的一个辅助，有着防止钢轨变形的特殊功能。

轨底自动定心装置是考虑钢轨中部出现扭时，本装置实现对钢轨底部微量扶正。它由夹具体、油缸、扇形齿轮、拐臂组成。

横向移动装置是带动铣刀作X向运动重要部件之一，它采用伺服电机与精密滚珠丝杆直连方式，使工作精度更为提高。它由横梁体、防护带、滚珠丝杠付组成。

垂直移动装置由伺服电机、联轴器、背靠背角接触球轴承、滚珠丝杆副、滑台体、滑座体、串联角接触球轴承、锁紧螺母组成。(www.xing528.com)

横向、垂向装置上，X、Y向两个方向的运动是由滚珠丝杆、伺服电机来完成。

铣削头装置是采用加工中心常用通用主轴单元，它可适应在高转速下工作。自润滑性能好，更换方便等特点。

刀具由刀片、刀体、刀杆组成。可在大走刀、高转速的情况下工作。刀片在磨损或者损坏时，只需将其回转一个角度即可使用。

回转机构采用双驱动的变齿厚的蜗轮、蜗杆双同步回转机构组成。两回转机构的同步采用数控系统的同步装置，可实现零误差。两回转机构配有液压刹紧机构，可减少因铣削刀具引起的机床振动。

3）电控系统。机床由数控系统、全数字化伺服驱动器、高精度的激光传感器、工业控制计算机等组成。具有实时在线测量、自动生成工件坐标程序、自动智能误差补偿、图形界面显示、自检测功能、故障报警显示、远程监控、数据上传等功能。操作简单，高智能高效率地进行焊缝精铣工作。电气系统硬件如图5-39所示。

图5-39　电气系统硬件框图

A.数控系统介绍。数控系统是数控与驱动的接口信号是数字量的，人机界面更易操作，更易掌握，软件内容更加丰富。它具有高度模块化及规范化的结构，它将CNC和驱动控制集成在一块板子上，将闭环控制的全部硬件和软件集成在1cm2的空间中，便于编程、操作和监控。

该机床数控系统连接见图5-40。

图5-40　数控系统连接示意图

B.数字驱动模块。分为双轴模块和单轴模块两种；相应的进给伺服电机可采用1FT6或者1FK7系列，编码器信号为1Vpp正弦波，可实现全闭环控制。

C.电子手轮。电子手轮是一个用来对轴进行人工定位的通用型脉冲发生器。它主要用于在处于设置模式下的NC机械工具上对轴进行定位。当手轮旋转时，编码器产生与手轮运动相对应的信号。

D.检测系统。检测装置是精铣机的眼睛，它要对长钢轨现状进行采样分析，确定选择程序，实现对长轨焊接处的精修加工。为了保证对长钢精确检测，本机床采用了激光红外非接触检测、接触式检测两种检测方式。非接触检测主要用于对长钢轨焊缝处工作边、作用边直线度的检测，接触式检测主要是为保证刀具在切削的过程中，为刀具精确提供起始点位置。

当长钢轨完成平直度检测后，数控系统可通过检测的相关数据，能用较快的速度，确定出刀具的铣削区间，与工作面、作用边理想曲线轨迹。

通过角度检测，确定每个角度的入刀点和收刀点的坐标值，保证长钢轨加工面与非加工面的平滑过渡。

4）液压系统。精铣机液压系统由液压站、液压管路、油缸及油马达等组成，分别控制机床移动、机具松紧、打刀等液压动作。各回路的压力和流量由系统设置的比例溢流阀和比例调速阀控制，能单独调节。液压原理见图5-41。

图5-41　液压原理图

5）润滑系统。机床的润滑装置采用了自动润滑站分别对内、外夹具，纵向、横向滑台、床身装置作定时、定量供油。润滑装置的组成与管路布置见图5-42。

图5-42　润滑装置的组成与管路布置图