摘要：簡述了用于電力設備制造行業(yè)百萬千瓦級發(fā)電機轉(zhuǎn)子加工的數(shù)控轉(zhuǎn)子銑專機的方案、工藝參數(shù)、電氣系統(tǒng)的設計，闡述了專機結(jié)構與特點、機床主要參數(shù)、控制系統(tǒng)連接等。
 
1.      前言
隨著電力行業(yè)技術的發(fā)展，汽輪發(fā)電機和核能發(fā)電機的單機功率越來越大，目前已有100萬千瓦的發(fā)電機在試制。發(fā)電機轉(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)面臨的一個難題。
用于汽輪發(fā)電機與核電發(fā)電機轉(zhuǎn)子加工的專用設備一直依賴進口，且造價昂貴，動輒幾千萬，世界上主要的制造商有美國的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，實際已壟斷了電力制造行業(yè)轉(zhuǎn)子加工設備的市場。
應國內(nèi)市場需求的驅(qū)動，結(jié)合我公司多年從事重型專機研發(fā)與制造的經(jīng)驗，已開發(fā)并制造了國內(nèi)首臺百萬千瓦級數(shù)控轉(zhuǎn)子銑專機XKH9720，本文就該設備結(jié)構及其電氣系統(tǒng)的設計做簡要闡述。
2.      專機結(jié)構
XKH9720數(shù)控轉(zhuǎn)子銑專機用于加工170萬千瓦及以下各等級、工件重量小于300噸的發(fā)電機轉(zhuǎn)子本體的嵌線槽、鳩尾槽、導電螺孔、平衡螺孔的加工，采用附件頭裝置后可擴展加工通風副槽、通風槽、風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。
該機床主要包括大盤刀立銑、Φ160鏜銑裝置、分度與支撐裝置三個部分，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、垂直進給裝置、主傳動箱、液壓潤滑系統(tǒng)等，下滑座與上滑座均采用靜壓導軌，X1軸采用雙齒輪液壓自動消隙結(jié)構傳動箱加齒條傳動，下滑座左右移動X1軸、上滑座前后移動W1軸、主傳動箱垂直移動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、液壓潤滑系統(tǒng)等，下滑座、上滑座、主軸箱升降均采用靜壓導軌，X2軸采用雙齒輪液壓自動消隙結(jié)構傳動箱加齒條傳動，下滑座左右移動X2軸、上滑座前后移動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、尾端測量支架、液壓潤滑系統(tǒng)等，六個支撐體均自帶電動平移裝置，分度裝置通過雙電機力矩耦合消隙傳動箱驅(qū)動，頭部和尾部各配置HEIDENHAIN角度編碼器作為位置反饋。該機床還帶有5個附件頭和1個滑枕封板，配有冷卻液站、大盤刀庫等，具有附件識別、自動裝卸及附加傳動比、附件主軸速度限制等功能。

圖1  XKH9720轉(zhuǎn)子銑專機結(jié)構示意圖   
3.      基本參數(shù)
機床軸分配（共13個軸/主軸）：
大盤刀部分：下滑座左右移動——X1軸、上滑座前后移動——W1軸、主傳動箱垂直移動——Y1軸、立銑主軸——SP1軸。
Φ160鏜銑裝置：下滑座左右移動——X2軸、上滑座前后移動——W2軸、主軸箱垂直升降——Y2軸、鏜桿前后移動——Z軸、鏜銑主軸——SP2軸。
分度與支撐區(qū)：分度主動軸——A軸、分度從動軸——A2軸、尾端分度位置反饋——A3軸、工件尾端軸向檢測——X3軸。
機床基本參數(shù)：
SP1主軸電機功率：130kW，SP1主軸轉(zhuǎn)速范圍：2～75rpm
SP2主軸電機功率：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，制動力矩：100000Nm
工件裝卡臺面最大承受質(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個遠程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，簡化了機床布線，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個軸/主軸，所以另增加了    
圖2  XKH9720轉(zhuǎn)子銑專機數(shù)控系統(tǒng)連接圖
NX15和NX10模塊各1只。根據(jù)機床結(jié)構，結(jié)合SINUMERIK 840Dsl數(shù)控系統(tǒng)的驅(qū)動總線特點，采用4個現(xiàn)場HUB模塊DME20分布式連接各區(qū)域中的測量系統(tǒng)，減少了信號電纜的長度，同時簡化了布線，圖2中的DriveCLiQ總線連接也符合其拓撲規(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軸為通道間自動切換的軸。
需要說明的是，X3軸為工件尾端軸向偏移檢測數(shù)顯軸，用于補償加工過程中的軸向偏移，偏移值補償目標軸為X1軸和X2軸，若偏移量超過預警值則自動激活機床報警。A3軸作為工件分度尾端實際位置檢測值，與A軸的閉環(huán)位置反饋值在線比較，用于矯正分度，若兩者之差超過預警值則自動激活機床報警。
機床所有進給軸均選用西門子1FT6同步電機，采用SINAMICS S120伺服驅(qū)動裝置。兩個主軸均選用西門子1PH7異步電機，其中SP1主軸選用裝機裝柜型PM340驅(qū)動裝置，工作在矢量模式。
在大盤刀立銑區(qū)和Φ160鏜銑裝置分別設置了操作站，分別負責相應區(qū)域的加工與維護操作，操作權限可切換，其中大盤刀立銑操作站同時具有分度區(qū)流程操作功能，另在分度區(qū)各支撐體上設置有獨立的本地操作按鈕站，用于工件裝卡、找正與維修。
為了提高機床的運行效率，減少故障排除時間，特別為該機床開發(fā)了個性化的機床數(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、報警與診斷、履歷歸檔、報表與打印等功能。
5．結(jié)語
數(shù)控轉(zhuǎn)子銑專機的研制成功打破了此類機床完全依賴進口的局面，填補了國內(nèi)空白，它標志著我國在高端稀缺數(shù)控機床設計制造方面又上了一個新的臺階。作為21世紀的制造大國，要轉(zhuǎn)型為制造強國，還有很遠的路要走，還有很多高端數(shù)控加工設備需要去開發(fā)與研制，滿足我國制造業(yè)飛速發(fā)展的需要。
這次有幸擔當該設備電氣系統(tǒng)設計與調(diào)試工作，收益匪淺，也通過本文將該設備的基本情況與部分要點呈現(xiàn)給大家，與同行共勉。