国内首台百万千瓦级数控转子铣专机的设计

武汉华中自控技术发展有限公司  胡国清

摘要：简述了用于电力设备制造行业百万千瓦级发电机转子加工的数控转子铣专机的方案、工艺参数、电气系统的设计，阐述了专机结构与特点、机床主要参数、控制系统连接等。

1.      前言

随着电力行业技术的发展，汽轮发电机和核能发电机的单机功率越来越大，目前已有100万千瓦的发电机在试制。发电机转子的尺寸越来越大，精度要求也越来越高，转子加工已成为各大电力制造行业面临的一个难题。

用于汽轮发电机与核电发电机转子加工的专用设备一直依赖进口，且造价昂贵，动辄几千万，世界上主要的制造商有美国的INGERSOLL公司和意大利的INNSE BERARDI公司，目前这两家公司已合并为一家，实际已垄断了电力制造行业转子加工设备的市场。

应国内市场需求的驱动，结合我公司多年从事重型专机研发与制造的经验，已开发并制造了国内首台百万千瓦级数控转子铣专机XKH9720，本文就该设备结构及其电气系统的设计做简要阐述。

2.      专机结构

XKH9720数控转子铣专机用于加工170万千瓦及以下各等级、工件重量小于300吨的发电机转子本体的嵌线槽、鸠尾槽、导电螺孔、平衡螺孔的加工，采用附件头装置后可扩展加工通风副槽、通风槽、风扇座花鼓筒槽的粗铣、精铣，以及引线槽、平衡槽、胶木条槽、压板槽、月亮槽等的加工。

该机床主要包括大盘刀立铣、Φ160镗铣装置、分度与支撑装置三个部分，如图1所示，其中大盘刀立铣部分包括与Φ160镗铣装置共用的床身、下滑座、上滑座、立柱、垂直进给装置、主传动箱、液压润滑系统等，下滑座与上滑座均采用静压导轨，X1轴采用双齿轮液压自动消隙结构传动箱加齿条传动，下滑座左右移动X1轴、上滑座前后移动W1轴、主传动箱垂直移动Y1轴均采用HEIDENHAIN光栅尺做全闭环控制；Φ160镗铣装置包括床身、下滑座、上滑座、立柱、主轴箱、液压润滑系统等，下滑座、上滑座、主轴箱升降均采用静压导轨，X2轴采用双齿轮液压自动消隙结构传动箱加齿条传动，下滑座左右移动X2轴、上滑座前后移动W2轴、主轴箱垂直升降Y2轴均采用HEIDENHAIN光栅尺做全闭环控制，主轴SP2配置有位置编码器用于螺纹加工与主轴定向；分度与支撑装置包括工件床身、分度头、静压头架、静压尾架、1#～3#托架、尾端测量支架、液压润滑系统等，六个支撑体均自带电动平移装置，分度装置通过双电机力矩耦合消隙传动箱驱动，头部和尾部各配置HEIDENHAIN角度编码器作为位置反馈。该机床还带有5个附件头和1个滑枕封板，配有冷却液站、大盘刀库等，具有附件识别、自动装卸及附加传动比、附件主轴速度限制等功能。

图1  XKH9720转子铣专机结构示意图   

3.      基本参数

机床轴分配（共13个轴/主轴）：

大盘刀部分：下滑座左右移动——X1轴、上滑座前后移动——W1轴、主传动箱垂直移动——Y1轴、立铣主轴——SP1轴。

Φ160镗铣装置：下滑座左右移动——X2轴、上滑座前后移动——W2轴、主轴箱垂直升降——Y2轴、镗杆前后移动——Z轴、镗铣主轴——SP2轴。

分度与支撑区：分度主动轴——A轴、分度从动轴——A2轴、尾端分度位置反馈——A3轴、工件尾端轴向检测——X3轴。

机床基本参数：

SP1主轴电机功率：130kW，SP1主轴转速范围：2～75rpm

SP2主轴电机功率：51kW，SP2主轴转速范围：4～2000rpm

主轴箱前部安装附件头端面规格：600×650mm

SP2镗杆直径：Φ160mm，SP2主轴锥孔：ISO 60/50

分度力矩：50000Nm，制动力矩：100000Nm

工件装卡台面最大承受质量：300t

分度卡盘直径：Φ1600mm

X1轴行程：22000mm，速度范围：0.5～10000mm/min

Y1轴行程：210mm，速度范围：0.5～750mm/min

W1轴行程：1000mm，速度范围：0.5～6000mm/min

X2轴行程：22000mm，速度范围：0.5～10000mm/min

Y2轴行程：1500mm，速度范围：0.5～6000mm/min

W2轴行程：1250mm，速度范围：0.5～6000mm/min

Z轴行程：800mm，速度范围：0.5～6000mm/min

A/A2轴行程：0～360°连续，速度范围：0.002～2rpm

4．电气系统

机床电气系统选用西门子SINUMERIK 840Dsl 1B最新型数控系统作为控制核心，配置双通道双控制面板，在大盘刀和Φ160镗铣区分别配置有MiniHHU和HT2手持终端方便操作，外部逻辑控制采用分布于主控制柜内、大盘刀区、Φ160镗铣区、分度与支撑区的共5个远程I/O站来控制，在大盘刀、Φ160镗铣和分度区分别安装有控制柜，将各自区域的控制就地处理，简化了机床布线，方便故障维修。

电气系统连接如图2所示，NCU选用720.3 PN，由于共有13个轴/主轴，所以另增加了 

图2  XKH9720转子铣专机数控系统连接图

NX15和NX10模块各1只。根据机床结构，结合SINUMERIK 840Dsl数控系统的驱动总线特点，采用4个现场HUB模块DME20分布式连接各区域中的测量系统，减少了信号电缆的长度，同时简化了布线，图2中的DriveCLiQ总线连接也符合其拓扑规则。

通道轴分配：

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轴为通道间自动切换的轴。

需要说明的是，X3轴为工件尾端轴向偏移检测数显轴，用于补偿加工过程中的轴向偏移，偏移值补偿目标轴为X1轴和X2轴，若偏移量超过预警值则自动激活机床报警。A3轴作为工件分度尾端实际位置检测值，与A轴的闭环位置反馈值在线比较，用于矫正分度，若两者之差超过预警值则自动激活机床报警。

机床所有进给轴均选用西门子1FT6同步电机，采用SINAMICS S120伺服驱动装置。两个主轴均选用西门子1PH7异步电机，其中SP1主轴选用装机装柜型PM340驱动装置，工作在矢量模式。

在大盘刀立铣区和Φ160镗铣装置分别设置了操作站，分别负责相应区域的加工与维护操作，操作权限可切换，其中大盘刀立铣操作站同时具有分度区流程操作功能，另在分度区各支撑体上设置有独立的本地操作按钮站，用于工件装卡、找正与维修。

为了提高机床的运行效率，减少故障排除时间，特别为该机床开发了个性化的机床数据采集与监视控制系统MT-SCADA，具有集中用户管理、图形系统、操作与监视、报警与诊断、履历归档、报表与打印等功能。

5．结语

数控转子铣专机的研制成功打破了此类机床完全依赖进口的局面，填补了国内空白，它标志着我国在高端稀缺数控机床设计制造方面又上了一个新的台阶。作为21世纪的制造大国，要转型为制造强国，还有很远的路要走，还有很多高端数控加工设备需要去开发与研制，满足我国制造业飞速发展的需要。

这次有幸担当该设备电气系统设计与调试工作，收益匪浅，也通过本文将该设备的基本情况与部分要点呈现给大家，与同行共勉。

[文章编入:2013中国机电装备维修与改造技术协会论文集(2013.9)]

点:

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