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國內首臺百萬(wàn)千瓦級數控轉子銑專(zhuān)機的設計

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摘要:簡(jiǎn)述了用于電力設備制造行業(yè)百萬(wàn)千瓦級發(fā)電機轉子加工的數控轉子銑專(zhuān)機的方案、工藝參數、電氣系統的設計,闡述了專(zhuān)機結構與特點(diǎn)、機床主要參數、控制系統連接等。
 
1.      前言
隨著(zhù)電力行業(yè)技術(shù)的發(fā)展,汽輪發(fā)電機和核能發(fā)電機的單機功率越來(lái)越大,目前已有100萬(wàn)千瓦的發(fā)電機在試制。發(fā)電機轉子的尺寸越來(lái)越大,精度要求也越來(lái)越高,轉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)電機與核電發(fā)電機轉子加工的專(zhuān)用設備一直依賴(lài)進(jìn)口,且造價(jià)昂貴,動(dòng)輒幾千萬(wàn),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(shí)際已壟斷了電力制造行業(yè)轉子加工設備的市場(chǎng)。
應國內市場(chǎng)需求的驅動(dòng),結合我公司多年從事重型專(zhuān)機研發(fā)與制造的經(jīng)驗,已開(kāi)發(fā)并制造了國內首臺百萬(wàn)千瓦級數控轉子銑專(zhuān)機XKH9720,本文就該設備結構及其電氣系統的設計做簡(jiǎn)要闡述。
2.      專(zhuān)機結構
XKH9720數控轉子銑專(zhuān)機用于加工170萬(wàn)千瓦及以下各等級、工件重量小于300噸的發(fā)電機轉子本體的嵌線(xiàn)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(fēng)副槽、通風(fēng)槽、風(fēng)扇座花鼓筒槽的粗銑、精銑,以及引線(xiàn)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(pán)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(pán)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(dòng)消隙結構傳動(dòng)箱加齒條傳動(dòng),下滑座左右移動(dòng)X(jué)1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(dòng)消隙結構傳動(dòng)箱加齒條傳動(dòng),下滑座左右移動(dòng)X(jué)2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、尾端測量支架、液壓潤滑系統等,六個(gè)支撐體均自帶電動(dòng)平移裝置,分度裝置通過(guò)雙電機力矩耦合消隙傳動(dòng)箱驅動(dòng),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(gè)附件頭和1個(gè)滑枕封板,配有冷卻液站、大盤(pán)刀庫等,具有附件識別、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轉子銑專(zhuān)機結構示意圖   
3.      基本參數
機床軸分配(共13個(gè)軸/主軸):
大盤(pán)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: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——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(dòng)力矩:100000Nm
工件裝卡臺面最大承受質(zhì)量:300t
分度卡盤(pán)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(mén)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(pán)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(pán)刀區、Φ160鏜銑區、分度與支撐區的共5個(gè)遠程I/O站來(lái)控制,在大盤(pán)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(jiǎn)化了機床布線(xiàn),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(gè)軸/主軸,所以另增加了    
圖2  XKH9720轉子銑專(zhuān)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(dòng)總線(xiàn)特點(diǎn),采用4個(gè)現場(chǎng)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(cháng)度,同時(shí)簡(jiǎn)化了布線(xiàn),圖2中的DriveCLiQ總線(xiàn)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(dòng)切換的軸。
需要說(shuō)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(guò)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(guò)預警值則自動(dòng)激活機床報警。A3軸作為工件分度尾端實(shí)際位置檢測值,與A軸的閉環(huán)位置反饋值在線(xiàn)比較,用于矯正分度,若兩者之差超過(guò)預警值則自動(dòng)激活機床報警。
機床所有進(jìn)給軸均選用西門(mén)子1FT6同步電機,采用SINAMICS S120伺服驅動(dòng)裝置。兩個(gè)主軸均選用西門(mén)子1PH7異步電機,其中SP1主軸選用裝機裝柜型PM340驅動(dòng)裝置,工作在矢量模式。
在大盤(pán)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(pán)刀立銑操作站同時(shí)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(shí)間,特別為該機床開(kāi)發(fā)了個(gè)性化的機床數據采集與監視控制系統MT-SCADA,具有集中用戶(hù)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(yǔ)
數控轉子銑專(zhuān)機的研制成功打破了此類(lèi)機床完全依賴(lài)進(jìn)口的局面,填補了國內空白,它標志著(zhù)我國在高端稀缺數控機床設計制造方面又上了一個(gè)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(kāi)發(fā)與研制,滿(mǎn)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設計與調試工作,收益匪淺,也通過(guò)本文將該設備的基本情況與部分要點(diǎn)呈現給大家,與同行共勉。

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