CKX91135可移式數(shù)控座環(huán)加工專(zhuān)機(jī)再制造

■哈爾濱電動(dòng)機(jī)廠有限責(zé)任公司 （黑龍江哈爾濱 150040） 張明良 劉明陽(yáng)

座環(huán)是水輪機(jī)所有結(jié)構(gòu)組件中單體質(zhì)量最大的核心部件，目前現(xiàn)有的大型水輪機(jī)座環(huán)最大質(zhì)量達(dá)到500余噸，加工外形尺寸長(zhǎng)度＞20m，且座環(huán)工件加工工序繁雜，裝夾找正耗時(shí)較長(zhǎng)，加工精度難以得到保證。座環(huán)通常采用大型立式車(chē)床加工內(nèi)圓，要求立式車(chē)床的工作臺(tái)回轉(zhuǎn)直徑必須達(dá)到20m，工作臺(tái)承重也須超過(guò)500t，設(shè)備經(jīng)濟(jì)成本很高。

我公司以φ7.1m立式車(chē)床加工工藝參數(shù)為依據(jù)，對(duì)數(shù)控座環(huán)加工專(zhuān)機(jī)進(jìn)行立項(xiàng)再制造，設(shè)備具有車(chē)、銑通用的加工功能，一次安裝找正后即可進(jìn)行車(chē)、鉆、鏜、銑和攻螺紋等全部工序的加工。

1. 再制造內(nèi)容

（1）機(jī)械部分 機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖1所示?？梢剖綌?shù)控座環(huán)加工專(zhuān)機(jī)由底座1、分度齒輪箱2、刀架3、銑頭4、傳動(dòng)箱5、銑刀架6、垂直移動(dòng)傳動(dòng)裝置7、小滑枕8、滑枕9、垂直移動(dòng)傳動(dòng)裝置10、滑座升降傳動(dòng)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(tái)17、調(diào)整裝置18及液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等主要部件組成。

數(shù)控座環(huán)加工專(zhuān)機(jī)采用工件固定、專(zhuān)用車(chē)銑床旋轉(zhuǎn)加工的方式，設(shè)備底座在基礎(chǔ)平臺(tái)上固定不動(dòng)，在底座周?chē)O(shè)置有調(diào)整機(jī)構(gòu)對(duì)整機(jī)進(jìn)行側(cè)向和水平調(diào)整，底座及工作臺(tái)為本機(jī)床關(guān)鍵部件，具有承載力大、克服偏重能力強(qiáng)的特點(diǎn)。設(shè)備工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)立柱、刀架和銑刀架轉(zhuǎn)動(dòng)。工作臺(tái)車(chē)削傳動(dòng)方式為交流主軸電動(dòng)機(jī)通過(guò)主變速箱帶動(dòng)工作臺(tái)大齒圈旋轉(zhuǎn)，工作臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)帶有雙齒輪消隙機(jī)構(gòu)，工作臺(tái)采用高精度可調(diào)徑向間隙雙列短圓柱滾子軸承定心，工作臺(tái)的軸向承重導(dǎo)軌采用閉式恒流靜壓導(dǎo)軌，單腔單泵配置，由專(zhuān)門(mén)的液壓泵站控制以克服大直徑偏載切削所產(chǎn)生的顛覆力，泵站配置冷熱雙制式的自動(dòng)油溫控制系統(tǒng)，使工作臺(tái)具有旋轉(zhuǎn)精度高、承載能力大及熱變形小等特點(diǎn)。工作臺(tái)在分度檢測(cè)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(tái)由分度齒輪箱進(jìn)給控制。

（2）電氣系統(tǒng) 刀架控制部分采用西門(mén)子840D s l數(shù)控系統(tǒng)作為控制核心，各進(jìn)給均采用SINAMICS S120進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，主軸采用PM340驅(qū)動(dòng)裝置，各電動(dòng)機(jī)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(dòng)、刀架進(jìn)給和刀架滑枕進(jìn)給軸均采用西門(mén)子1FT6伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶銑頭刀架形式的銑主軸采用西門(mén)子1PH7主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用1PH7主軸電動(dòng)機(jī)（100kW），配置西門(mén)子PM340系列數(shù)字驅(qū)動(dòng)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(diào)整機(jī)床參數(shù)。

1）數(shù)控系統(tǒng)840Dsl的選型。座環(huán)專(zhuān)機(jī)采用西門(mén)子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)，可任意三軸聯(lián)動(dòng)，具有垂度補(bǔ)償、圓柱面銑削和選配同步軸等功能。NCU單元為720.3，內(nèi)存為1GB DRAM/1MB SRAM；HMI為PCU50.3-P，內(nèi)存為1GB SDRAM。機(jī)床各部位邏輯控制采用西門(mén)子S7-300 P L C控制，ET200通過(guò)PROFIBUS連接PLC組件機(jī)床側(cè)PLC分站（橫梁、地面及走臺(tái)操作站）。機(jī)床刀架操作站上安裝HMI、MCP和HT2手持單元，方便操作與對(duì)刀，所有故障與提示信息均中/英文顯示。

圖1 機(jī)床結(jié)構(gòu)示意

SINUMERIK 840Dsl結(jié)構(gòu)配N(xiāo)CU720.3+OP015A+PCU50+M C P 4 8 3 C P N+H T 2+S M C+ET200。

2）測(cè)量系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選型設(shè)計(jì)。車(chē)主軸（S1軸）電動(dòng)機(jī)：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(dòng)機(jī)內(nèi)裝編碼器作位置反饋。

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

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

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

平衡裝置水平移動(dòng)（ V軸）電動(dòng)機(jī)：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(nèi)裝編碼器作位置反饋。

3）電氣控制柜設(shè)計(jì)。刀架部分設(shè)計(jì)專(zhuān)用電氣控制柜，分別安放在操作走臺(tái)的后部和橫梁頂端。設(shè)計(jì)制造刀架進(jìn)給部分的操作箱，并設(shè)置有工作臺(tái)必要的操作按鈕。在走臺(tái)操作箱上安裝支撐架，可以在270°范圍內(nèi)擺動(dòng)，具有鎖緊裝置。工作臺(tái)設(shè)置獨(dú)立的操作電氣控制柜和操作臺(tái)站，安放在地面工作臺(tái)旁邊，利于對(duì)工作臺(tái)的運(yùn)行操控。

4）電氣線路設(shè)計(jì)。電氣系統(tǒng)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(fù)責(zé)工作臺(tái)部分的控制，包括工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)、工作臺(tái)靜壓和連鎖控制等。刀架控制柜負(fù)責(zé)滑座升降、滑枕、小滑枕移動(dòng)、刀架進(jìn)給、平衡裝置及潤(rùn)滑系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)與控制。操作按鈕站帶手持操作盒，安裝在走臺(tái)上。刀架和刀架滑枕進(jìn)給設(shè)置安全限位開(kāi)關(guān)，設(shè)計(jì)安全保護(hù)程序。通過(guò)刀架進(jìn)給裝置與工作臺(tái)連鎖信號(hào)交流，設(shè)置有效的安全防護(hù)措施。

5）機(jī)床軸分配（共10個(gè)軸/主軸）：滑座沿立柱垂直移動(dòng)（W/W1軸雙滾珠絲杠）、刀架水平移動(dòng)（Y軸）、刀架垂直移動(dòng)（Z軸）、小方橫梁徑向水平移動(dòng)（X軸）、大方橫梁水平移動(dòng)（U軸）、平衡裝置水平移動(dòng)（V軸）、工作臺(tái)車(chē)削主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（S1軸）、工作臺(tái)分度軸（C軸）、銑削主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（S2軸）。

6）進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)作要求：①機(jī)床電源接通，各進(jìn)給軸（X軸、Y軸、Z軸、U軸和平衡裝置）即應(yīng)通電鎖住各軸，X軸伺服電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)器也應(yīng)通電松開(kāi)。②在自動(dòng)方式下運(yùn)行各進(jìn)給軸，首先要求銑頭主軸旋轉(zhuǎn)速度到達(dá)后，各進(jìn)給軸才能移動(dòng)；要求先停止各軸進(jìn)給移動(dòng)，再停止銑頭主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。③各軸組合行程限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程：碰到正/負(fù)限位開(kāi)關(guān)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)；碰到緊急限位開(kāi)關(guān)切斷電動(dòng)機(jī)電源，按下“超程釋放”開(kāi)關(guān)后才可反向開(kāi)動(dòng)。④根據(jù)專(zhuān)機(jī)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(huán)位置反饋。

2. 設(shè)備主要參數(shù)及工藝要求

（1）設(shè)備主要參數(shù) 底座和工作臺(tái)總高度應(yīng)在1 500mm之內(nèi)，在確保安全可靠前提下，車(chē)刀夾至底座下平面高度應(yīng)＜1 500mm。設(shè)備具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備參數(shù)

（2）工藝要求 具體有以下幾點(diǎn)：①座環(huán)專(zhuān)機(jī)設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足座環(huán)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(zhuān)機(jī)可根據(jù)座環(huán)工件位置吊運(yùn)并在裝配平臺(tái)上安裝。③C軸分度定位精度8″，重復(fù)定位精度4″。④粗車(chē)最大吃刀量≥8mm，進(jìn)給量1.5mm/r，表面粗糙度值Ra≤12.5μm，圓跳動(dòng)≤0.10mm。精車(chē)表面粗糙度值Ra應(yīng)≤3.2μm，圓跳動(dòng)≤0.10mm，平面度≤0.075mm（φ6 500mm處）、≤0.15mm（φ13 500mm處）。

3. 結(jié)語(yǔ)

在3年多的運(yùn)行加工中，該數(shù)控座環(huán)加工專(zhuān)機(jī)已經(jīng)完成了多臺(tái)大型水輪機(jī)座環(huán)的加工，其中包括白鶴灘水電站世界首臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)水輪發(fā)電動(dòng)機(jī)組座環(huán)的加工制造，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。