CKX91135可移式數控座環加工專機再制造

■哈爾濱電動機廠有限責任公司 （黑龍江哈爾濱 150040） 張明良 劉明陽

座環是水輪機所有結構組件中單體質量最大的核心部件，目前現有的大型水輪機座環最大質量達到500余噸，加工外形尺寸長度＞20m，且座環工件加工工序繁雜，裝夾找正耗時較長，加工精度難以得到保證。座環通常采用大型立式車床加工內圓，要求立式車床的工作臺回轉直徑必須達到20m，工作臺承重也須超過500t，設備經濟成本很高。

我公司以φ7.1m立式車床加工工藝參數為依據，對數控座環加工專機進行立項再制造，設備具有車、銑通用的加工功能，一次安裝找正后即可進行車、鉆、鏜、銑和攻螺紋等全部工序的加工。

1. 再制造內容

（1）機械部分 機床結構如圖1所示?？梢剖綌悼刈h加工專機由底座1、分度齒輪箱2、刀架3、銑頭4、傳動箱5、銑刀架6、垂直移動傳動裝置7、小滑枕8、滑枕9、垂直移動傳動裝置10、滑座升降傳動裝置11、連接梁12、立柱13、滑座14、平衡錘15、主變速箱16、工作臺17、調整裝置18及液壓系統、電氣系統等主要部件組成。

數控座環加工專機采用工件固定、專用車銑床旋轉加工的方式，設備底座在基礎平臺上固定不動，在底座周圍設置有調整機構對整機進行側向和水平調整，底座及工作臺為本機床關鍵部件，具有承載力大、克服偏重能力強的特點。設備工作臺旋轉帶動立柱、刀架和銑刀架轉動。工作臺車削傳動方式為交流主軸電動機通過主變速箱帶動工作臺大齒圈旋轉，工作臺傳動系統帶有雙齒輪消隙機構，工作臺采用高精度可調徑向間隙雙列短圓柱滾子軸承定心，工作臺的軸向承重導軌采用閉式恒流靜壓導軌，單腔單泵配置，由專門的液壓泵站控制以克服大直徑偏載切削所產生的顛覆力，泵站配置冷熱雙制式的自動油溫控制系統，使工作臺具有旋轉精度高、承載能力大及熱變形小等特點。工作臺在分度檢測方面采用高精度角度編碼器。在銑削方式下，主變速箱脫離，連接分度齒輪箱，工作臺由分度齒輪箱進給控制。

（2）電氣系統 刀架控制部分采用西門子840D s l數控系統作為控制核心，各進給均采用SINAMICS S120進給驅動，主軸采用PM340驅動裝置，各電動機自帶編碼器，其中第3種刀架的銑主軸安裝有位置編碼器；滑座升降傳動、刀架進給和刀架滑枕進給軸均采用西門子1FT6伺服電動機驅動，帶銑頭刀架形式的銑主軸采用西門子1PH7主軸電動機驅動。工作臺旋轉驅動電動機采用1PH7主軸電動機（100kW），配置西門子PM340系列數字驅動器。重新配制了電氣控制柜，編制PLC電氣邏輯控制程序，匹配調整機床參數。

1）數控系統840Dsl的選型。座環專機采用西門子840Dsl數控系統，可任意三軸聯動，具有垂度補償、圓柱面銑削和選配同步軸等功能。NCU單元為720.3，內存為1GB DRAM/1MB SRAM；HMI為PCU50.3-P，內存為1GB SDRAM。機床各部位邏輯控制采用西門子S7-300 P L C控制，ET200通過PROFIBUS連接PLC組件機床側PLC分站（橫梁、地面及走臺操作站）。機床刀架操作站上安裝HMI、MCP和HT2手持單元，方便操作與對刀，所有故障與提示信息均中/英文顯示。

圖1 機床結構示意

SINUMERIK 840Dsl結構配NCU720.3+OP015A+PCU50+M C P 4 8 3 C P N+H T 2+S M C+ET200。

2）測量系統及驅動電動機選型設計。車主軸（S1軸）電動機：SIEMENS 1PH7 226，P=105k W，3A C，400V矢量控制，n=1 150～3 100r/min，M0=870N·m，與減速箱配合使用，電動機內裝編碼器作位置反饋。

銑削主軸（S2軸）電動機：SIEMENS 1PH7163，P=22kW，n=1 000～3 700r/min，10N·m，帶鍵槽，帶密封，電動機內裝編碼器作位置反饋。

工作臺分度軸（C 軸）電動機、小方橫梁徑向水平移動（X軸）/大方橫梁水平移動（U 軸）電動機、車削滑座沿立柱垂直移動（W/W 1 軸）電動機：S I E M E N S 1F T6 108-8AC7，M0=55N·m，P=11.5kW，n=2 000r/min，帶制動，內裝編碼器作位置反饋。X/U軸全閉環光柵尺：HEIDENHAIN LB382C帶距離碼光柵尺。C 軸全閉環圓光柵編碼器：HEIDENHAIN RON285。

立銑刀架水平移動（Y軸）電動機、刀架垂直移動（Z軸）電動機： SIEMENS 1FT6 105-8A C7，M0=38N·m，P=8k W，n=2 000r/min，帶制動，內裝絕對值編碼器作位置反饋。

平衡裝置水平移動（ V軸）電動機：S I E M E N S 1F T6 0 8 4-8 A C 7，M0=1 6.9 N·m，P=3.4kW，n=2 000r/min，帶鍵槽，內裝編碼器作位置反饋。

3）電氣控制柜設計。刀架部分設計專用電氣控制柜，分別安放在操作走臺的后部和橫梁頂端。設計制造刀架進給部分的操作箱，并設置有工作臺必要的操作按鈕。在走臺操作箱上安裝支撐架，可以在270°范圍內擺動，具有鎖緊裝置。工作臺設置獨立的操作電氣控制柜和操作臺站，安放在地面工作臺旁邊，利于對工作臺的運行操控。

4）電氣線路設計。電氣系統主要由地面控制柜與操作站、刀架控制柜及操作按鈕站等組成。地面控制柜與操作站主要負責工作臺部分的控制，包括工作臺旋轉、工作臺靜壓和連鎖控制等。刀架控制柜負責滑座升降、滑枕、小滑枕移動、刀架進給、平衡裝置及潤滑系統的驅動與控制。操作按鈕站帶手持操作盒，安裝在走臺上。刀架和刀架滑枕進給設置安全限位開關，設計安全保護程序。通過刀架進給裝置與工作臺連鎖信號交流，設置有效的安全防護措施。

5）機床軸分配（共10個軸/主軸）：滑座沿立柱垂直移動（W/W1軸雙滾珠絲杠）、刀架水平移動（Y軸）、刀架垂直移動（Z軸）、小方橫梁徑向水平移動（X軸）、大方橫梁水平移動（U軸）、平衡裝置水平移動（V軸）、工作臺車削主軸旋轉運動（S1軸）、工作臺分度軸（C軸）、銑削主軸旋轉運動（S2軸）。

6）進給系統的動作要求：①機床電源接通，各進給軸（X軸、Y軸、Z軸、U軸和平衡裝置）即應通電鎖住各軸，X軸伺服電動機的制動器也應通電松開。②在自動方式下運行各進給軸，首先要求銑頭主軸旋轉速度到達后，各進給軸才能移動；要求先停止各軸進給移動，再停止銑頭主軸旋轉運動。③各軸組合行程限位開關動作過程：碰到正/負限位開關電動機停轉；碰到緊急限位開關切斷電動機電源，按下“超程釋放”開關后才可反向開動。④根據專機精度與分度功能要求，U軸、X軸均配置海德漢直線光柵尺，C軸采用海德漢圓光柵編碼器（36 000P/R）作為全閉環位置反饋。

2. 設備主要參數及工藝要求

（1）設備主要參數 底座和工作臺總高度應在1 500mm之內，在確保安全可靠前提下，車刀夾至底座下平面高度應＜1 500mm。設備具體參數見表1。

表1 設備參數

（2）工藝要求 具體有以下幾點：①座環專機設計需滿足座環加工范圍要求，即最大加工直徑為13 500mm，最小加工直徑為6 500mm，最大加工高度差3 800mm。②專機可根據座環工件位置吊運并在裝配平臺上安裝。③C軸分度定位精度8″，重復定位精度4″。④粗車最大吃刀量≥8mm，進給量1.5mm/r，表面粗糙度值Ra≤12.5μm，圓跳動≤0.10mm。精車表面粗糙度值Ra應≤3.2μm，圓跳動≤0.10mm，平面度≤0.075mm（φ6 500mm處）、≤0.15mm（φ13 500mm處）。

3. 結語

在3年多的運行加工中，該數控座環加工專機已經完成了多臺大型水輪機座環的加工，其中包括白鶴灘水電站世界首臺百萬千瓦級水輪發電動機組座環的加工制造，取得了顯著的經濟效益和社會效益。