XH27940數(shù)控轉(zhuǎn)子線圈加工中心的再制造技術(shù)改造

哈爾濱患楓廠有限責任公司 許建

摘要：本文介紹西門子840DsL數(shù)控系統(tǒng)改造轉(zhuǎn)子線圈加工中心的硬件配置、軟件編程調(diào)試、機電設(shè)計、數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)的主要特點與難點，描述轉(zhuǎn)子線圈加工工藝方法，可以一次裝夾實現(xiàn)轉(zhuǎn)子線圈直線銅排的平面、槽、曲面、鉆、鏜等多工序加工。

關(guān)鍵詞：機床再制造;轉(zhuǎn)子線圈加工;840DsL數(shù)控系統(tǒng);PLC編程;機電調(diào)整

1引言

子線圈是發(fā)電機中的主要核心部件之一，其質(zhì)量在很大程度上決定了整個發(fā)電機的制造水平，結(jié)合哈電公司轉(zhuǎn)子線圈的制造經(jīng)驗和線圈加工工藝的要求，研發(fā)了XH27940數(shù)控轉(zhuǎn)子線圈加工中心。本文介紹數(shù)控轉(zhuǎn)子線圈專用機床的結(jié)構(gòu)特點，840DsL數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試應用的關(guān)鍵技術(shù)，功能控制軟件、機床參數(shù)、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(diào)整機床參數(shù)，完成數(shù)控電氣控制系統(tǒng)的整體連接調(diào)試。

2 XH27940數(shù)控轉(zhuǎn)予線圈加工中心主要部件的組成

本機床主要用于汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈直線銅排多工序的加工，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。本機床由工件夾具;銑頭床身( 13);左、右渭座;左、右銑頭立柱;機床設(shè)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(shù)控電氣系統(tǒng)、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/Zl軸，臥式銑頭可沿立柱上下移動進給U軸(7) /[J]軸，依靠方滑枕進行軸向移動進給V軸(8)/Vl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) /Xl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/Yl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。

2.1工件夾具工藝設(shè)計

椴據(jù)加工零件設(shè)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(cè)面為定位基準，夾具上按銅排長度均勻設(shè)置有若干壓緊及側(cè)頂裝置，每套壓緊及側(cè)頂裝置備為一個獨立單元，根據(jù)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(diào)整位置，壓緊及側(cè)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(shè)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(shù)控及電氣系統(tǒng)配置

該設(shè)備是一臺加工發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈的專用數(shù)控鏜銑床，電氣控制由數(shù)控系統(tǒng)、電氣控制柜、操作站及特殊工藝加工軟件等組成。

3.1數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 840DsL

SINUMERIK 840DsL數(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)、120GB硬盤、USB接口、以太網(wǎng)口)，MCP483G 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-OAA30-OAAl),SIMATIC S7-300 PLG IM153接口模塊ET200M( 6ES7153-1AA03-OXBO)、SM數(shù)字I/O(輸入/輸出)模塊。PLC輸入6ES7321-1BLOO-OAAO;PLC輸出6ES7322-1HH01-OAAO;PLC電源模塊6ES7307-1EAOO-OAAO。

采用西門子SINUMERIK 840DsL教控系統(tǒng)具有4個通道、2個方式組、雙顯示操作單元。10個數(shù)字進給軸，4個數(shù)字主軸控制，4軸聯(lián)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(shù)量20組;用戶R參數(shù)數(shù)量200個。

3.2數(shù)控軸設(shè)置

該專用機床共有10個直線進給軸和4個旋轉(zhuǎn)主軸，2個斗笠式刀具庫。采用西門子840DsL數(shù)控系統(tǒng)，主軸及進給軸均采用SINAMICS S120伺服驅(qū)動裝置，進給軸均采用獨立的SIEMENS lFT6電機，主軸旋轉(zhuǎn)運動(SP～SP3軸)采用SIEMENS lPH8電機，左右滑座(X軸和Xl軸)、立柱移動(Y軸和Yl軸)、立銑裝置的主軸箱移動(Z軸和Zl軸)、臥銑主軸箱上下移動(U軸和[J]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(qū)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(huán)反饋，直線式光柵尺均采用德國Heidenhain LB382C，4個旋轉(zhuǎn)主軸采用主軸電機自帶的編碼器作半閉環(huán)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Xl、Yl、Zl、SP1放在第2通道里;右臥銑：X1、[J]、Vl、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Xl軸(沿著機床床身縱向移動);Y1軸(沿著機床床身橫向移動);Zl軸(立主軸2垂直移動);[J]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(shù)控機床參數(shù)設(shè)置

NC啟動：首先釋放PCU50的Windows7操作系統(tǒng)和安裝HMI系統(tǒng)操作軟件，配置PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線地址參數(shù)，啟動數(shù)控系統(tǒng)。

進行840DsL系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定和調(diào)整：進入機床參數(shù)的設(shè)定界面，安裝系統(tǒng)默認的標準機床數(shù)據(jù)，列舉設(shè)置調(diào)整的主要機床參數(shù)。

3.3.1進入“GENERAL”窗口(通用機床數(shù)據(jù)設(shè)定)

MD10000[0- -'13]定義機床軸名稱：X、Y、Z、U、V、SP、SP2、X1、Yl、Zl、[J]、Vl、SP1、SP3;MD10050[0- --13]定義系統(tǒng)循環(huán)時間：0.004s;MD10720[0--'13]定義默認工作方式：7;MD19100定義控制軸數(shù)：14;MD10010[0- - -3]方式組中分配有效通道：1、2、1、2。

3.3.2進入“CHAl\fNEL SPECIFIC”(特別通道機床數(shù)據(jù)設(shè)定)

MD20000[0--'3]定 義 通 道 名：CHANl...CHAN3。

CHANDATA(1)：MD20050[0--'2]定義通道中幾何軸分配：1、2、3;MD20060[0".2J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、Yl、21;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：Xl、Yl、Zl、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、[J]、Vl;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：Xl、[J]、Vl、SP3。

3.2.3進入‘‘AXEXSPECIFIC”(特別軸機床數(shù)據(jù)設(shè)定)

MD30110定義電動機軸的物理模塊位置：驅(qū)動器號/模塊號( X=l、Y-2、2=3、U-4、V=5、SP-6、SP2=7、Xl=8、Y1=9、21=10、U1=11、Vl=12、SPl=13、SP3=14);MD30120-1定義設(shè)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(tǒng)生效;MD30240=1走義測量系統(tǒng)的類型：(1表示增量測量系統(tǒng));MD30300定義軸是旋轉(zhuǎn)軸還是直線軸：(0表示直線軸，1表示旋轉(zhuǎn)軸);MD31000定義直接測量元件類型：(1表示直線測量裝置，O表示旋轉(zhuǎn)測量裝置);MD31010定義光柵尺柵距：0.004(光柵節(jié)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(zhuǎn)脈沖數(shù)：2048;MD31040-1直接測量系統(tǒng);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(tǒng)數(shù)據(jù)

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?qū)ふ?。

3.2.5設(shè)置各個軸(包括主軸)的具體叁數(shù)

最后進入“MACHINE DATA”，設(shè)置控制參數(shù)、機械傳動參數(shù)、速度參數(shù)，包括設(shè)置通用參數(shù)、通道參數(shù)、軸/主軸參數(shù)和監(jiān)控參數(shù)、轉(zhuǎn)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(guān)鍵技術(shù)

4.1雙PCU50雙顯示的設(shè)置

840DsL數(shù)控系統(tǒng)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(wǎng)絡，實現(xiàn)雙顯示以及雙操作控制。修改PCU50的網(wǎng)絡地址，使其對應關(guān)系為2:1(2個PCU50對應1個NUC)，有關(guān)PCU50配置文件主童有config.ini和netnames.ini, PCU地址的設(shè)置取決于netnarnes.ini文件。

netnames.ini文件如下：

[own]

owner=HMI_1

[conn HMI_1]

conn_l=NCU_l;HMI_1可連接NCU_1

[param HMI~1]

hmi_address=l;HMI_1的軟件地址設(shè)置為1

[param NCU_1]

nck_address=192.168.214.1, LINE=10 ,NAME=/NC ,SAP=030d, PROFILE=CLTl_CP_L4_INT

plc_address =192.168.214.1, LINE =10 ,NAME =/PLC, SAP=0201,PROFILE =CLTl_CP_L4_INT

name=Machine_l

[chan HMI_11

DEFA[J]T_logChanSet=Machine_l

DEFA[J]T_logChan=NCKl.l; 默認登錄NCKl.1

ShowChanMenu=false

LogChanSetList=Machine_l;只顯示NCU_1

[Machine_l]

LogChanList=NCKl.1;只顯示NCKl.1，若需要顯示多個通道，則在此增加

[NCKl.1]

LogNCName=NCU_l

ChanNum-l

對于第2個PCU50用EDIT編輯器打開F:\mmc2\netnames.ini，在文件尾部增加以下指令：LogNCName=NCU_1, ChanNum=l。并且將第2個PCU50的以太網(wǎng)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(shè)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\netnames.ini內(nèi)容如下：

[chan MMCl]

DEFA[J]T_logChanSet=Model; MMC_1啟動后默認模式為Model

DEFA[J]T_logChanSet=CHANl; MMC_1啟動后默認通道為CHANl '

LogChanSetList=Model, Mode2; MMC_1允許3種操作模式

ShowChanMenu-true;垂直軟鍵顯示通道菜單

[Model]

LogChanList=CHANl, CHAN3; Model可操作通道CHAN1，CHAN3

[Mode2]

LogChanList=CHAN2, CHAN4; Model可操作通道CHAN2，CHAN4

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(shù)控系統(tǒng)可選配刀具管理功能( 6FC5800-OAM88-OYBO)，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(shù)據(jù)修改的功能FC缺和后臺DB數(shù)據(jù)塊作為PLC接口，根據(jù)刀庫結(jié)構(gòu)形式來組態(tài)，靈活方便、功能強大，可適用于多種形式以及特殊結(jié)構(gòu)的刀庫。換刀通過NC編程與PLC編程相結(jié)合實現(xiàn)，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(shù)據(jù)，使其與實際狀態(tài)始終保持一致。

刀庫管理相關(guān)的PLC接口信號主要有刀具裝卸數(shù)據(jù)塊DB71、刀具交換數(shù)據(jù)塊DB72、轉(zhuǎn)塔刀庫換刀數(shù)據(jù)塊DB73以及刀庫管理基本程序內(nèi)部用數(shù)據(jù)塊DB74。

840DsL toolbox中提供了一些PLC功能塊，F(xiàn)C6是刀具管理基本子程序，F(xiàn)C7用來確認轉(zhuǎn)塔刀庫的換刀命令，F(xiàn)C8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(shù)據(jù)傳輸功能塊的應用

FC8的數(shù)據(jù)傳輸執(zhí)行模式有裝卸刀具、刀具準備/換刀、轉(zhuǎn)塔換刀、異步傳輸、帶刀位預約的異步傳輸5種，它通過參數(shù)“Taskldent”來識別，每次任務完成都會通過FC8來修改新/舊刀具的位數(shù)據(jù)。

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采說明刀具管理任務表的建立過程。

FC90可根據(jù)刀具管理任務表對DB90中對應的每1位狀態(tài)進行置位。DB90是FB90的背景數(shù)據(jù)塊，可以根據(jù)FC90的最后1行調(diào)用FB90來修改DB90相應的刀具數(shù)據(jù)位。

4.3.2.1換刀的動作過程

當程序執(zhí)行到T代碼時，首先系統(tǒng)判別刀庫里有無此刀號，如果沒有，則發(fā)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(qū)動刀盤電機，通過刀盤上計數(shù)器開關(guān)控制所選刀具轉(zhuǎn)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(cè)，手爪1在主軸側(cè)。

程序執(zhí)行到換刀指令M06后，主軸自動返回到換刀點且主軸定向準?？刂?。

手爪1取舊刀時主軸松刀，并發(fā)出主軸松刀到位信號。

機械手拔刀伸出后旋轉(zhuǎn)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(fā)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(jié)束。

4.3.3轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。采用雙排通風槽結(jié)構(gòu)，兩通風槽間隔較近，在金加工過程中有變形的風險;線規(guī)寬且薄，在銑接頭過程中易產(chǎn)生形變。轉(zhuǎn)子線圈采用了變線規(guī)的設(shè)計結(jié)構(gòu)，在直線與轉(zhuǎn)角連接的焊口處進行了倒角設(shè)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(zhuǎn)角通風槽使用提制三面刃銑刀組，實現(xiàn)了三排孔、雙排槽、接頭倒角等新結(jié)構(gòu)的加工;通過增加復型工序，保證了成品線圈的端部形狀質(zhì)量。加工過程中使用切削液進行輔助，立式主軸以高轉(zhuǎn)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(jù)1000MW超臨界發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈冷卻通風道的圓弧半徑和寬度尺寸設(shè)計選擇刀具，根據(jù)線圈的節(jié)距及雙排孔節(jié)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(zhuǎn)子槽數(shù)量的銅排，設(shè)計用于汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)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(tǒng)的子程序存儲區(qū)里，根據(jù)加工對象進行調(diào)用;加工過程中自動更換刀具，實現(xiàn)高速度主軸數(shù)字驅(qū)動和銑鏜全功能加工，保證轉(zhuǎn)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(guī)格范圍可以作為通用型數(shù)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(tài)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(tǒng)，能對機床運行狀態(tài)進行有效監(jiān)控。當機床出現(xiàn)故障時，在屏幕上發(fā)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(zhuǎn)、鏡像等得到。設(shè)計用于轉(zhuǎn)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(shù)改造小結(jié)

本機床用于汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)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(shù)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(shè)計結(jié)構(gòu)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(wěn)定可靠，為設(shè)備的多軸復合控制、多工序一體加工提供了寶貴經(jīng)驗。采用西門子840DsL數(shù)控系統(tǒng)，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(qū)動，全閉環(huán)控制，這些技術(shù)在國內(nèi)外都處于先進水平。

參考文獻：

[1]許建.數(shù)控機床改造技術(shù)及實例[M].北京機械工業(yè)出版社，2017.60 I EPEM 2018.10