XHZ7940數控轉子線圈加工中心的再制造技術改造

哈爾濱電機廠有限責任公司 許建

1 引言

轉子線圈是發電機中的主要核心部件之一，其質量在很大程度上決定了整個發電機的制造水平，結合哈電公司轉子線圈的制造經驗和線圈加工工藝的要求，研發了XHZ7940數控轉子線圈加工中心。本文介紹數控轉子線圈專用機床的結構特點，840DsL數控系統設計、調試應用的關鍵技術，功能控制軟件、機床參數、PLC功能塊、刀具管理功能。配制電氣控制柜，編制PLC電氣邏輯控制程序，匹配調整機床參數，完成數控電氣控制系統的整體連接調試。

2 XHZ7940數控轉子線圈加工中心主要部件的組成

本機床主要用于汽輪發電機轉子線圈直線銅排多工序的加工，其結構如圖1所示。本機床由工件夾具；銑頭床身（13）；左、右滑座；左、右銑頭立柱；機床設有左、右立銑裝置銑頭，左、右臥式銑頭，左、右銑頭可以同時動作；進給傳動裝置、潤滑裝置、氣動夾緊裝置(12)、防護罩（15）、刀庫（10）、數控電氣系統、隨機附件組成。

本專用機床具有兩組銑頭部件，每組帶有一個立銑裝置的銑頭和一個臥式銑頭，布置在床身縱向（長軸向）的左右兩端，銑頭分別安在左右立柱上，立銑裝置銑頭可以同時或分別作垂直上下移動進給Z軸/Z1軸，臥式銑頭可沿立柱上下移動進給U軸（7）/U1軸，依靠方滑枕進行軸向移動進給V軸（8）/V1軸；機床有兩條床身，靠近操作位置的前床身為工件基臺床身，供安裝夾具，裝卡工件用；平行于基臺床身的后床身為銑頭床身，供安裝縱向/橫向滑座使用；立柱安裝在縱向/橫向滑座上，左右滑座的縱導軌沿著床身可以同時或分別移動進給X軸（11）/X1軸（16），橫導軌可以保證立柱作垂直于X軸/X1軸的橫向移動進給Y軸/Y1軸；本機床的縱向、橫向及垂直導軌均采用直線導軌副，銑頭床身有伸縮不銹鋼防護罩；每個立柱上安裝有一個刀具庫，提供立銑裝置銑頭自動換刀。

圖1 立臥式數控轉子線圈加工中心結構示意圖

2.1 工件夾具工藝設計

根據加工零件設計工件夾具，工件安裝在工件基臺床身上，全部采用氣動裝置自動夾緊，采用單根銅排放置裝夾的形式，以底面和一側面為定位基準，夾具上按銅排長度均勻設置有若干壓緊及側頂裝置，每套壓緊及側頂裝置各為一個獨立單元，根據工件的長度不同和加工部位的不同沿基臺床身上的T形槽移動調整位置，壓緊及側頂裝置采用氣動自動夾緊，每個組件的控制管采用軟管與基臺床身上的總管相連。對于成組加工銅排端面及魚尾形接頭時，單獨設計有一套隨行夾具，先由操作者在機床外將工件成組固定，在加工時連同隨行夾具一起安裝在機床夾具上。

3 數控及電氣系統配置

該設備是一臺加工發電機轉子線圈的專用數控鏜銑床，電氣控制由數控系統、電氣控制柜、操作站及特殊工藝加工軟件等組成。

3.1 數控系統SINUMERIK 840DsL

SINUMERIK 840DsL數控系統基本配置：OP015A 15″TFT 彩色顯示屏操作面板 2件；雙PCU50.3-P（Windows 7操 作 系 統、120GB硬盤、USB接口、以太網口），MCP483C PN機床操作面板2件，HT2手持單元2件（用于二個操作 站 ）。NCU730.3（6FC5373-0AA30-0AA1），SIMATIC S7-300 PLC IM153接口模塊ET200M（6ES7153-1AA03-0XB0）、SM數字I/O（輸入/輸出）模塊。PLC輸入6ES7321-1BL00-0AA0；PLC輸出6ES7322-1HH01-0AA0；PLC電源模塊6ES7307-1EA00-0AA0。

采用西門子SINUMERIK 840DsL數控系統具有4個通道、2個方式組、雙顯示操作單元。10個數字進給軸，4個數字主軸控制，4軸聯動控制。刀具半徑補償、刀具長度補償。反向間隙補償、多維低頭補償、螺距誤差補償。零點偏置數量20組；用戶R參數數量200個。

3.2 數控軸設置

該專用機床共有10個直線進給軸和4個旋轉主軸，2個斗笠式刀具庫。采用西門子840DsL數控系統，主軸及進給軸均采用SINAMICS S120伺服驅動裝置，進給軸均采用獨立的SIEMENS 1FT6電機，主軸旋轉運動（SP～SP3軸）采用SIEMENS 1PH8電機，左右滑座（X軸和X1軸）、立柱移動（Y軸和Y1軸）、立銑裝置的主軸箱移動（Z軸和Z1軸）、臥銑主軸箱上下移動（U軸和U1軸），臥銑滑枕移動（V軸和V1軸）等10個進給軸均采用1FT6電動機驅動，各電動機自帶編碼器作為位置反饋元件。其中10個進給軸采用光柵尺作為全閉環反饋，直線式光柵尺均采用德國Heidenhain LB382C，4個旋轉主軸采用主軸電機自帶的編碼器作半閉環控制。

左立銑裝置：X、Y、Z、SP放在第1通道里；左臥銑：X、U、V、SP2放在第3通道；右立銑裝置：X1、Y1、Z1、SP1放在第2通道里；右臥銑：X1、U1、V1、SP3放在第4通道。其中1、3通道在方式組1，2、4通道在方式組2。

第1號機X軸（立柱沿著機床床身縱向移動）；Y軸（立柱沿著機床床身橫向移動）；Z軸（立主軸1垂直移動）；U軸（臥主軸垂直移動）；V軸（臥主軸滑枕伸縮移動）；SP軸（立式主軸1）；SP2軸（臥式主軸1）。

第2號機X1軸（沿著機床床身縱向移動）；Y1軸（沿著機床床身橫向移動）；Z1軸（立主軸2垂直移動）；U1軸（臥主軸垂直移動）；V1軸（臥主軸滑枕伸縮移動）；SP1軸（立式主軸2）；SP3軸（臥式主軸2）。

3.3 數控機床參數設置

NC啟動：首先釋放PCU50的Windows7操作系統和安裝HMI系統操作軟件，配置PROFIBUSDP現場總線地址參數，啟動數控系統。

進行840DsL系統參數設定和調整：進入機床參數的設定界面，安裝系統默認的標準機床數據，列舉設置調整的主要機床參數。

3.3.1 進入“GENERAL”窗口（通用機床數據設定）

MD10000[0…13]定義機床軸名稱：X、Y、Z、U、V、SP、SP2、X1、Y1、Z1、U1、V1、SP1、SP3；MD10050[0…13]定義系統循環時間：0.004s；MD10720[0…13]定義默認工作方式：7；MD19100定義控制軸數：14；MD10010[0…3]方式組中分配有效通道：1、2、1、2。

3.3.2 進入“CHANNEL SPECIFIC”（特別通道機床數據設定）

MD20000[0…3]定義通道名：CHAN1...CHAN3。

CHANDATA(1)：MD20050[0…2]定義通道中幾何軸分配：1、2、3；MD20060[0…2]定義通道中幾何軸名稱：X、Y、Z；MD20070[0…3]定義通道中通道軸編號：1、2、3、6；MD20080[0…3]定義通道中通道軸名稱：X、Y、Z、SP。

CHANDATA(2)：MD20050[0…2]定義通道中幾何軸分配：1、2、3；MD20060[0…2]定義通道中幾何軸名稱：X1、Y1、Z1；MD20070[0…3]定義通道中通道軸編號：8、9、10、13；MD20080[0…3]定義通 道中通道軸名稱：X1、Y1、Z1、SP1。

CHANDATA(3)：MD20050[0…2]定義通道中幾何軸分配：1、2、3；MD20060[0…2]定義通道中幾何軸名稱：X、U、V；MD20070[0…3]定義通道中通道軸編號：1、4、5、7；MD20080[0…3]定義通道中通道軸名稱：X、U、V、SP2。

CHANDATA(4)：MD20050[0…2]定義通道中幾何軸分配：1、2、3；MD20060[0…2]定義通道中幾何軸名稱：X1、U1、V1；MD20070[0…3]定義通道中通道軸編號：8、11、12、14；MD20080[0…3]定義通道中通道軸名稱：X1、U1、V1、SP3。

3.2.3 進入“AXEXSPECIFIC”（特別軸機床數據設定）

MD30110定義電動機軸的物理模塊位置：驅動器號/模塊號（X=1、Y=2、Z=3、U=4、V=5、SP=6、SP2=7、X1=8、Y1=9、Z1=10、U1=11、V1=12、SP1=13、SP3=14）；MD30120=1定義設定值輸出到子模塊/模塊；MD30130=1定義軸輸出類型：1（1表示實軸方式）；MD30200=1/2定義第一或第二測量系統生效；MD30240=1定義測量系統的類型：（1表示增量測量系統）；MD30300定義軸是旋轉軸還是直線軸：（0表示直線軸，1表示旋轉軸）；MD31000定義直接測量元件類型：（1表示直線測量裝置，0表示旋轉測量裝置）；MD31010定義光柵尺柵距：0.004(光柵尺節點距離)直線標尺刻度，輸入值與實際值相符；MD31020定義編碼器每轉脈沖數：2048；MD31040=1直接測量系統；MD31050和MD31060定義電動機到絲杠的減速比：輸入值要與實際值相符；MD31070和MD31080定義絲杠到編碼器的減速比：輸入值要與實際值相符。

3.2.4 進給軸的測量系統數據

MD34040=200（返參考點速度）；MD34060=40（返參考點最大移動距離）；MD34200=3（回零方式），（3表示帶距離碼的增量型測量裝置）；MD34300=20（標準參考點標志柵格間距），（Heidenhain LB382C光柵尺為20mm）；MD34310=0.02（距離碼光柵尺兩個參考標志之間的間隔值）；MD34320=0（返參方向與實際值顯示是否一致），（0：方向一致，1：反向尋找）。3.2.5 設置各個軸（包括主軸）的具體參數

最后進入“MACHINE DATA”，設置控制參數、機械傳動參數、速度參數，包括設置通用參數、通道參數、軸/主軸參數和監控參數、轉速極限、最高速度、加速度、運動方向、反饋極性、位置增益、定位誤差、報警極限等。

4 控制軟件與PLC編程關鍵技術

4.1 雙PCU50雙顯示的設置

840DsL數控系統配置4個通道、2個方式組，采用雙PCU50、雙MCP、雙HT2在同一以太網絡，實現雙顯示以及雙操作控制。修改PCU50的網絡地址，使其對應關系為2∶1（2個PCU50對應1個NUC），有關PCU50配置文件主要有config.ini和netnames.ini，PCU地址的設置取決于netnames.ini文件。

netnames.ini文件如下：

對于第2個PCU50用EDIT編輯器打開F∶m mc2 etnames.ini，在文件尾部增加以下指令：LogNCName=NCU_1，ChanNum=1。并且將第2個PCU50的以太網地址由原來的“192.168.214.241”改為需要的值“192.168.214.242”。重新啟動PCU50即可。

4.2 通道及方式組設置

下面以1個PCU50.3對應1個配置了4個通道的NCU為例，其具有2種操作模式，模式1可以操作1、3通道，模式2可以操作2、4通道，則其MMC2 etnames.ini內容如下：

修改NETNAMES.INI后，重新啟動PCU50即可。

4.3 刀庫管理與自動換刀

加工中心帶有刀具庫，西門子840DsL數控系統可選配刀具管理功能（6FC5800-0AM88-0YB0），刀具管理功能包括建立刀具表，它具有刀具裝載、卸載、重新定位等功能，提供刀具管理數據修改的功能FC塊和后臺DB數據塊作為PLC接口，根據刀庫結構形式來組態，靈活方便、功能強大，可適用于多種形式以及特殊結構的刀庫。換刀通過NC編程與PLC編程相結合實現，NC程序控制相應的軸移動，完成每一步驟就通知PLC修改刀具管理數據，使其與實際狀態始終保持一致。

刀庫管理相關的PLC接口信號主要有刀具裝卸數據塊DB71、刀具交換數據塊DB72、轉塔刀庫換刀數據塊DB73以及刀庫管理基本程序內部用數據塊DB74。

840DsL toolbox中提供了一些PLC功能塊，FC6是刀具管理基本子程序，FC7用來確認轉塔刀庫的換刀命令，FC8用來確認刀庫管理任務的完成，可用FC22來計算并選擇刀庫的最短運行路徑。FC90用于建立刀具管理任務表。

4.3.1 FC8數據傳輸功能塊的應用

FC8的數據傳輸執行模式有裝卸刀具、刀具準備/換刀、轉塔換刀、異步傳輸、帶刀位預約的異步傳輸5種，它通過參數“TaskIdent”來識別，每次任務完成都會通過FC8來修改新/舊刀具的位置數據。

4.3.2 FC90刀具管理任務表的應用

下面是以1臺含有24個刀位的盤式刀庫、1個主軸、1個雙手爪機械手的加工中心來說明刀具管理任務表的建立過程。

FC90可根據刀具管理任務表對DB90中對應的每1位狀態進行置位。DB90是FB90的背景數據塊，可以根據FC90的最后1行調用FB90來修改DB90相應的刀具數據位。

4.3.2.1 換刀的動作過程

當程序執行到T代碼時，首先系統判別刀庫里有無此刀號，如果沒有，則發出報警（如T代碼錯誤）；此外還要判別所選刀具是否在主軸上，則完成T代碼控制。然后判別所選刀具在刀庫的具體位置，驅動刀盤電機，通過刀盤上計數器開關控制所選刀具轉到換刀位置，完成T代碼控制。

完成換刀前準備，手爪2在刀庫側，手爪1在主軸側。

程序執行到換刀指令M06后，主軸自動返回到換刀點且主軸定向準停控制。

手爪1取舊刀時主軸松刀，并發出主軸松刀到位信號。

機械手拔刀伸出后旋轉180度，然后機械手縮回，手爪2將將新刀裝入到主軸中，主軸拉刀，并發出主軸刀具夾緊到位信號。

機械手回等待位，舊刀回到刀庫中，換刀結束。

4.3.3 轉子線圈制造加工工藝研究

為增大焊接面積，全部焊口采用魚尾結構。采用雙排通風槽結構，兩通風槽間隔較近，在金加工過程中有變形的風險；線規寬且薄，在銑接頭過程中易產生形變。轉子線圈采用了變線規的設計結構，在直線與轉角連接的焊口處進行了倒角設計。新型刀具應用，使用三面刃銑刀組進行雙排通風直槽加工，使用鍵槽銑刀進行45°槽加工。轉角通風槽使用提制三面刃銑刀組，實現了三排孔、雙排槽、接頭倒角等新結構的加工；通過增加復型工序，保證了成品線圈的端部形狀質量。加工過程中使用切削液進行輔助，立式主軸以高轉速加工，保證雙排通風槽加工精度。采用一次裝夾兩件，減少裝夾輔助時間，提高加工效率。

根據1000MW超臨界發電機轉子線圈冷卻通風道的圓弧半徑和寬度尺寸設計選擇刀具，根據線圈的節距及雙排孔節距偏差進行加工定位，在各工序加工時一次裝夾兩根銅排，端面加工及成組魚尾形接頭加工時一次裝夾一個轉子槽數量的銅排，設計用于汽輪發電機轉子線圈直線銅排端面、魚尾槽、直槽、斜槽、腰形孔加工的軟件子程序，按照線圈銅排的加工工序要求和具體尺寸要求編制出加工軟件程序，作為子程序存放在系統的子程序存儲區里，根據加工對象進行調用；加工過程中自動更換刀具，實現高速度主軸數字驅動和銑鏜全功能加工，保證轉子線圈的全序自動加工；本機床操作可以左右銑頭同時動作，也可任一銑頭單獨操作，機床的加工方式規格范圍可以作為通用型數控銑床使用，能夠完成平面、槽、曲面、鉆、鏜等工序的加工。

機床運行的連鎖保護功能：工件床身上銅排的夾緊、放松、潤滑油路等各種操作狀態正常后，才允許機床運行程序加工工件。

完善、可靠的報警系統，能對機床運行狀態進行有效監控。當機床出現故障時，在屏幕上發出簡體中文信息顯示，便于查找和處理。

4.3.4 加工工藝編程

機床采用右手直角笛卡爾坐標系，通過回參考點確定機床原點，建立起來機床坐標系，工件坐標系可通過對機床坐標系的零點偏置、平移、旋轉、鏡像等得到。設計用于轉子線圈直線銅排端面、魚尾槽、直槽、斜槽、腰形孔等工件加工子程序。

5 再制造技術改造小結

本機床用于汽輪發電機轉子線圈直線銅排接頭、端面、魚尾槽、直槽、斜槽、腰形孔的加工，也可以作為一臺通用型數控鏜銑床使用，可以完成平面、槽、曲面、鉆、鏜等工序的加工。

再制造改造后的專用機床設計結構合理、操作方便、控制功能齊全、加工效率高、邏輯保護功能強、定位精度高、運行穩定可靠，為設備的多軸復合控制、多工序一體加工提供了寶貴經驗。采用西門子840DsL數控系統，多通道、多方式組、多顯示，具有十四軸的控制功能，PLC采用模塊化編程，進給軸采用交流伺服驅動，全閉環控制，這些技術在國內外都處于先進水平。