國內首臺百萬千瓦級數控轉子銑專機的設計

摘要：簡述了用于電力設備制造行業百萬千瓦級發電機轉子加工的數控轉子銑專機的方案、工藝參數、電氣系統的設計，闡述了專機結構與特點、機床主要參數、控制系統連接等。
 
1.      前言
隨著電力行業技術的發展，汽輪發電機和核能發電機的單機功率越來越大，目前已有100萬千瓦的發電機在試制。發電機轉子的尺寸越來越大，精度要求也越來越高，轉子加工已成為各大電力制造行業面臨的一個難題。
用于汽輪發電機與核電發電機轉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轉子加工設備的市場。
應國內市場需求的驅動，結合我公司多年從事重型專機研發與制造的經驗，已開發并制造了國內首臺百萬千瓦級數控轉子銑專機XKH9720，本文就該設備結構及其電氣系統的設計做簡要闡述。
2.      專機結構
XKH9720數控轉子銑專機用于加工170萬千瓦及以下各等級、工件重量小于300噸的發電機轉子本體的嵌線槽、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轉子銑專機結構示意圖   
3.      基本參數
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：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：
SP1主軸電機功率：130kW，SP1主軸轉速范圍：2～75rpm
SP2主軸電機功率：51kW，SP2主軸轉速范圍：4～2000rpm
主軸箱前部安裝附件頭端面規格：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，速度范圍：0.002～2rpm
4．電氣系統
機床電氣系統選用西門子SINUMERIK 840Dsl 1B最新型數控系統作為控制核心，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、大盤刀區、Φ160鏜銑區、分度與支撐區的共5個遠程I/O站來控制，在大盤刀、Φ160鏜銑和分度區分別安裝有控制柜，將各自區域的控制就地處理，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轉子銑專機數控系統連接圖
NX15和NX10模塊各1只。根據機床結構，結合SINUMERIK 840Dsl數控系統的驅動總線特點，采用4個現場HUB模塊DME20分布式連接各區域中的測量系統，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驅動裝置，工作在矢量模式。
在大盤刀立銑區和Φ160鏜銑裝置分別設置了操作站，分別負責相應區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流程操作功能，另在分度區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，特別為該機床開發了個性化的機床數據采集與監視控制系統MT-SCADA，具有集中用戶管理、圖形系統、操作與監視、報警與診斷、履歷歸檔、報表與打印等功能。
5．結語
數控轉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，填補了國內空白，它標志著我國在高端稀缺數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，要轉型為制造強國，還有很遠的路要走，還有很多高端數控加工設備需要去開發與研制，滿足我國制造業飛速發展的需要。
這次有幸擔當該設備電氣系統設計與調試工作，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給大家，與同行共勉。