摘要：簡(jiǎn)述了用于電力設(shè)備制造行業(yè)百萬千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加工的數(shù)控轉(zhuǎn)子銑專機(jī)的方案、工藝參數(shù)、電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，闡述了專機(jī)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)、機(jī)床主要參數(shù)、控制系統(tǒng)連接等。
 
1.      前言
隨著電力行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，汽輪發(fā)電機(jī)和核能發(fā)電機(jī)的單機(jī)功率越來越大，目前已有100萬千瓦的發(fā)電機(jī)在試制。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的尺寸越來越大，精度要求也越來越高，轉(zhuǎn)子加工已成為各大電力制造行業(yè)面臨的一個(gè)難題。
用于汽輪發(fā)電機(jī)與核電發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加工的專用設(shè)備一直依賴進(jìn)口，且造價(jià)昂貴，動(dòng)輒幾千萬，世界上主要的制造商有美國(guó)的INGERSOLL公司和意大利的INNSE BERARDI公司，目前這兩家公司已合并為一家，實(shí)際已壟斷了電力制造行業(yè)轉(zhuǎn)子加工設(shè)備的市場(chǎng)。
應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)，結(jié)合我公司多年從事重型專機(jī)研發(fā)與制造的經(jīng)驗(yàn)，已開發(fā)并制造了國(guó)內(nèi)首臺(tái)百萬千瓦級(jí)數(shù)控轉(zhuǎn)子銑專機(jī)XKH9720，本文就該設(shè)備結(jié)構(gòu)及其電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)要闡述。
2.      專機(jī)結(jié)構(gòu)
XKH9720數(shù)控轉(zhuǎn)子銑專機(jī)用于加工170萬千瓦及以下各等級(jí)、工件重量小于300噸的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子本體的嵌線槽、鳩尾槽、導(dǎo)電螺孔、平衡螺孔的加工，采用附件頭裝置后可擴(kuò)展加工通風(fēng)副槽、通風(fēng)槽、風(fēng)扇座花鼓筒槽的粗銑、精銑，以及引線槽、平衡槽、膠木條槽、壓板槽、月亮槽等的加工。
該機(jī)床主要包括大盤刀立銑、Φ160鏜銑裝置、分度與支撐裝置三個(gè)部分，如圖1所示，其中大盤刀立銑部分包括與Φ160鏜銑裝置共用的床身、下滑座、上滑座、立柱、垂直進(jìn)給裝置、主傳動(dòng)箱、液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)等，下滑座與上滑座均采用靜壓導(dǎo)軌，X1軸采用雙齒輪液壓自動(dòng)消隙結(jié)構(gòu)傳動(dòng)箱加齒條傳動(dòng)，下滑座左右移動(dòng)X1軸、上滑座前后移動(dòng)W1軸、主傳動(dòng)箱垂直移動(dòng)Y1軸均采用HEIDENHAIN光柵尺做全閉環(huán)控制；Φ160鏜銑裝置包括床身、下滑座、上滑座、立柱、主軸箱、液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)等，下滑座、上滑座、主軸箱升降均采用靜壓導(dǎo)軌，X2軸采用雙齒輪液壓自動(dòng)消隙結(jié)構(gòu)傳動(dòng)箱加齒條傳動(dòng)，下滑座左右移動(dòng)X2軸、上滑座前后移動(dòng)W2軸、主軸箱垂直升降Y2軸均采用HEIDENHAIN光柵尺做全閉環(huán)控制，主軸SP2配置有位置編碼器用于螺紋加工與主軸定向；分度與支撐裝置包括工件床身、分度頭、靜壓頭架、靜壓尾架、1#～3#托架、尾端測(cè)量支架、液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)等，六個(gè)支撐體均自帶電動(dòng)平移裝置，分度裝置通過雙電機(jī)力矩耦合消隙傳動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)，頭部和尾部各配置HEIDENHAIN角度編碼器作為位置反饋。該機(jī)床還帶有5個(gè)附件頭和1個(gè)滑枕封板，配有冷卻液站、大盤刀庫(kù)等，具有附件識(shí)別、自動(dòng)裝卸及附加傳動(dòng)比、附件主軸速度限制等功能。

圖1  XKH9720轉(zhuǎn)子銑專機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖   
3.      基本參數(shù)
機(jī)床軸分配（共13個(gè)軸/主軸）：
大盤刀部分：下滑座左右移動(dòng)——X1軸、上滑座前后移動(dòng)——W1軸、主傳動(dòng)箱垂直移動(dòng)——Y1軸、立銑主軸——SP1軸。
Φ160鏜銑裝置：下滑座左右移動(dòng)——X2軸、上滑座前后移動(dòng)——W2軸、主軸箱垂直升降——Y2軸、鏜桿前后移動(dòng)——Z軸、鏜銑主軸——SP2軸。
分度與支撐區(qū)：分度主動(dòng)軸——A軸、分度從動(dòng)軸——A2軸、尾端分度位置反饋——A3軸、工件尾端軸向檢測(cè)——X3軸。
機(jī)床基本參數(shù)：
SP1主軸電機(jī)功率：130kW，SP1主軸轉(zhuǎn)速范圍：2～75rpm
SP2主軸電機(jī)功率：51kW，SP2主軸轉(zhuǎn)速范圍：4～2000rpm
主軸箱前部安裝附件頭端面規(guī)格：600×650mm
SP2鏜桿直徑：Φ160mm，SP2主軸錐孔：ISO 60/50
分度力矩：50000Nm，制動(dòng)力矩：100000Nm
工件裝卡臺(tái)面最大承受質(zhì)量：300t
分度卡盤直徑：Φ1600mm
X1軸行程：22000mm，速度范圍：0.5～10000mm/min
Y1軸行程：210mm，速度范圍：0.5～750mm/min
W1軸行程：1000mm，速度范圍：0.5～6000mm/min
X2軸行程：22000mm，速度范圍：0.5～10000mm/min
Y2軸行程：1500mm，速度范圍：0.5～6000mm/min
W2軸行程：1250mm，速度范圍：0.5～6000mm/min
Z軸行程：800mm，速度范圍：0.5～6000mm/min
A/A2軸行程：0～360°連續(xù)，速度范圍：0.002～2rpm
4．電氣系統(tǒng)
機(jī)床電氣系統(tǒng)選用西門子SINUMERIK 840Dsl 1B最新型數(shù)控系統(tǒng)作為控制核心，配置雙通道雙控制面板，在大盤刀和Φ160鏜銑區(qū)分別配置有MiniHHU和HT2手持終端方便操作，外部邏輯控制采用分布于主控制柜內(nèi)、大盤刀區(qū)、Φ160鏜銑區(qū)、分度與支撐區(qū)的共5個(gè)遠(yuǎn)程I/O站來控制，在大盤刀、Φ160鏜銑和分度區(qū)分別安裝有控制柜，將各自區(qū)域的控制就地處理，簡(jiǎn)化了機(jī)床布線，方便故障維修。
電氣系統(tǒng)連接如圖2所示，NCU選用720.3 PN，由于共有13個(gè)軸/主軸，所以另增加了    
圖2  XKH9720轉(zhuǎn)子銑專機(jī)數(shù)控系統(tǒng)連接圖
NX15和NX10模塊各1只。根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)，結(jié)合SINUMERIK 840Dsl數(shù)控系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)總線特點(diǎn)，采用4個(gè)現(xiàn)場(chǎng)HUB模塊DME20分布式連接各區(qū)域中的測(cè)量系統(tǒng)，減少了信號(hào)電纜的長(zhǎng)度，同時(shí)簡(jiǎn)化了布線，圖2中的DriveCLiQ總線連接也符合其拓?fù)湟?guī)則。
通道軸分配：
通道一：X1、Y1、W1、SP1、A、A3、X3、A2
通道二：X2、Y2、Z、W2、SP2、A、A3、X3、A2
其中A、A2、A3、X3軸為通道間自動(dòng)切換的軸。
需要說明的是，X3軸為工件尾端軸向偏移檢測(cè)數(shù)顯軸，用于補(bǔ)償加工過程中的軸向偏移，偏移值補(bǔ)償目標(biāo)軸為X1軸和X2軸，若偏移量超過預(yù)警值則自動(dòng)激活機(jī)床報(bào)警。A3軸作為工件分度尾端實(shí)際位置檢測(cè)值，與A軸的閉環(huán)位置反饋值在線比較，用于矯正分度，若兩者之差超過預(yù)警值則自動(dòng)激活機(jī)床報(bào)警。
機(jī)床所有進(jìn)給軸均選用西門子1FT6同步電機(jī)，采用SINAMICS S120伺服驅(qū)動(dòng)裝置。兩個(gè)主軸均選用西門子1PH7異步電機(jī)，其中SP1主軸選用裝機(jī)裝柜型PM340驅(qū)動(dòng)裝置，工作在矢量模式。
在大盤刀立銑區(qū)和Φ160鏜銑裝置分別設(shè)置了操作站，分別負(fù)責(zé)相應(yīng)區(qū)域的加工與維護(hù)操作，操作權(quán)限可切換，其中大盤刀立銑操作站同時(shí)具有分度區(qū)流程操作功能，另在分度區(qū)各支撐體上設(shè)置有獨(dú)立的本地操作按鈕站，用于工件裝卡、找正與維修。
為了提高機(jī)床的運(yùn)行效率，減少故障排除時(shí)間，特別為該機(jī)床開發(fā)了個(gè)性化的機(jī)床數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)MT-SCADA，具有集中用戶管理、圖形系統(tǒng)、操作與監(jiān)視、報(bào)警與診斷、履歷歸檔、報(bào)表與打印等功能。
5．結(jié)語
數(shù)控轉(zhuǎn)子銑專機(jī)的研制成功打破了此類機(jī)床完全依賴進(jìn)口的局面，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，它標(biāo)志著我國(guó)在高端稀缺數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)制造方面又上了一個(gè)新的臺(tái)階。作為21世紀(jì)的制造大國(guó)，要轉(zhuǎn)型為制造強(qiáng)國(guó)，還有很遠(yuǎn)的路要走，還有很多高端數(shù)控加工設(shè)備需要去開發(fā)與研制，滿足我國(guó)制造業(yè)飛速發(fā)展的需要。
這次有幸擔(dān)當(dāng)該設(shè)備電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試工作，收益匪淺，也通過本文將該設(shè)備的基本情況與部分要點(diǎn)呈現(xiàn)給大家，與同行共勉。