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1 引言
轉子線圈是發(fā)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(fā)電機的制造水平，結合哈電公司轉子線圈的制造經(jīng)驗和線圈加工工藝的要
求，研發(fā)了V7940數(shù)控轉子線圈加工中心。本文介紹數(shù)控轉子線圈專用機床的結構特點，840DsL 數(shù)控系統(tǒng)設計、調試應用的關鍵技術，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，匹配調整機床參數(shù)，完成數(shù)控電氣控制系統(tǒng)的整體連接調試。
2 V7940數(shù)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(fā)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(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 /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。

圖片.png

圖1 立臥式數(shù)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(jù)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(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(shù)控及電氣系統(tǒng)配置
該設備是一臺加工發(fā)電機轉子線圈的專用數(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），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(shù)   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(shù)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(shù)控系統(tǒng)，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(huán)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(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：
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(shù)控機床參數(shù)設置
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)設定和調整：進入機床參數(shù)的設定界面，安裝系統(tǒng)默認的標準機床數(shù)據(jù)，列舉設置調整的主要機床參數(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(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“CHANNEL SPECIFIC”（特別通道機床數(shù)據(jù)設定）
M D 2 0 0 0 0 [ 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(shù)據(jù)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(tǒng)生效；MD30240=1定義測量系統(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(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 ：反向尋找）。
3.2.5 設置各個軸（包括主軸）的具體參數(shù)
最后進入“MACHINE DATA”，設置控制參數(shù)、機械傳動參數(shù)、速度參數(shù)，包括設置通用參數(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(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： [own]
owner = HMI_1 [conn HMI_1]
conn_1=NCU_1 ；HMI_1可連接 NCU_1 [param HMI_1]
hmi_address=1 ；HMI_1的軟件地址設置為1 [param NCU_1] nck_address=192.168.214.1,LINE=10,NA
ME=/NC,SAP=030d,PROFILE=CLT1_CP_L4_ INT
plc_address=192.168.214.1,LINE=10,NA ME=/PLC,SAP=0201,PROFILE=CLT1_CP_L4_ INT
name=Machine_1 [chan HMI_1]
DEFAULT_logChanSet=Machine_1 DEFAULT_logChan=NCK1.1 ；   默    認    登錄
NCK1.1
ShowChanMenu=false LogChanSetList=Machine_1 ；只顯示 NCU_1 [Machine_1]
LogChanList=NCK1.1 ；只顯示 NCK1.1，若需要顯示多個通道，則在此增加
[NCK1.1]
LogNCName=NCU_1 ChanNum=1
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(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 內容如下： [chan MMC1]
DEFAULT_logChanSet=Mode1 ；MMC_1 啟動后默認模式為 Mode1
DEFAULT_logChanSet=CHAN1 ；MMC_1 啟動后默認通道為 CHAN1
LogChanSetList=Mode1, Mode2 ；MMC_1 允許3種操作模式
ShowChanMenu=true ；垂直軟鍵顯示通道菜單[Mode1]
LogChanList=CHAN1, CHAN3 ；Mode1 可操作通道 CHAN1, CHAN3
[Mode2]
LogChanList=CHAN2, CHAN4 ；Mode1 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（6FC5800-0AM88-0YB0），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(shù)據(jù)修改的功能 FC 塊和后臺 DB 數(shù)據(jù)塊作為 PLC 接口，根據(jù)刀庫結構形式來組態(tài)，靈活方便、功能強大，可適用于多種形式以及特殊結構的刀庫。換刀通過 NC 編程與 PLC 編程相結合實現(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、轉塔刀庫換刀數(shù)據(jù)塊 DB73以及刀庫管理基本程序內部用數(shù)據(jù)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，F(xiàn)C7用來確認轉塔刀庫的換刀命令，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)“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(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來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，驅動刀盤電機，通過刀盤上計數(shù)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(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停控制。
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(guī)寬且薄，在銑接頭過程中易產(chǎn)生形變。轉子線圈采用了變線規(guī)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(xiàn)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(jù)1000MW 超臨界發(fā)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(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子槽數(shù)量的銅排，設計用于汽輪發(fā)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(tǒng)的子程序存儲區(qū)里，根據(jù)加工對象進行調用；加工過程中自動更換刀具，實現(xiàn)高速度主軸數(shù)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(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、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(fā)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(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(wěn)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(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動，全閉環(huán)控制，這些技術在國內外都處于先進水平

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本加工中心用于汽輪發(fā)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(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(wěn)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(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動，全閉環(huán)控制，這些技術在國內外都處于先進水平。

標簽：加工中心

分類：加工中心

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