CKX91135可移式数控座环加工专机再制造

■哈尔滨电动机厂有限责任公司 （黑龙江哈尔滨 150040） 张明良 刘明阳

座环是水轮机所有结构组件中单体质量最大的核心部件，目前现有的大型水轮机座环最大质量达到500余吨，加工外形尺寸长度＞20m，且座环工件加工工序繁杂，装夹找正耗时较长，加工精度难以得到保证。座环通常采用大型立式车床加工内圆，要求立式车床的工作台回转直径必须达到20m，工作台承重也须超过500t，设备经济成本很高。

我公司以φ7.1m立式车床加工工艺参数为依据，对数控座环加工专机进行立项再制造，设备具有车、铣通用的加工功能，一次安装找正后即可进行车、钻、镗、铣和攻螺纹等全部工序的加工。

1. 再制造内容

（1）机械部分 机床结构如图1所示。可移式数控座环加工专机由底座1、分度齿轮箱2、刀架3、铣头4、传动箱5、铣刀架6、垂直移动传动装置7、小滑枕8、滑枕9、垂直移动传动装置10、滑座升降传动装置11、连接梁12、立柱13、滑座14、平衡锤15、主变速箱16、工作台17、调整装置18及液压系统、电气系统等主要部件组成。

数控座环加工专机采用工件固定、专用车铣床旋转加工的方式，设备底座在基础平台上固定不动，在底座周围设置有调整机构对整机进行侧向和水平调整，底座及工作台为本机床关键部件，具有承载力大、克服偏重能力强的特点。设备工作台旋转带动立柱、刀架和铣刀架转动。工作台车削传动方式为交流主轴电动机通过主变速箱带动工作台大齿圈旋转，工作台传动系统带有双齿轮消隙机构，工作台采用高精度可调径向间隙双列短圆柱滚子轴承定心，工作台的轴向承重导轨采用闭式恒流静压导轨，单腔单泵配置，由专门的液压泵站控制以克服大直径偏载切削所产生的颠覆力，泵站配置冷热双制式的自动油温控制系统，使工作台具有旋转精度高、承载能力大及热变形小等特点。工作台在分度检测方面采用高精度角度编码器。在铣削方式下，主变速箱脱离，连接分度齿轮箱，工作台由分度齿轮箱进给控制。

（2）电气系统 刀架控制部分采用西门子840D s l数控系统作为控制核心，各进给均采用SINAMICS S120进给驱动，主轴采用PM340驱动装置，各电动机自带编码器，其中第3种刀架的铣主轴安装有位置编码器；滑座升降传动、刀架进给和刀架滑枕进给轴均采用西门子1FT6伺服电动机驱动，带铣头刀架形式的铣主轴采用西门子1PH7主轴电动机驱动。工作台旋转驱动电动机采用1PH7主轴电动机（100kW），配置西门子PM340系列数字驱动器。重新配制了电气控制柜，编制PLC电气逻辑控制程序，匹配调整机床参数。

1）数控系统840Dsl的选型。座环专机采用西门子840Dsl数控系统，可任意三轴联动，具有垂度补偿、圆柱面铣削和选配同步轴等功能。NCU单元为720.3，内存为1GB DRAM/1MB SRAM；HMI为PCU50.3-P，内存为1GB SDRAM。机床各部位逻辑控制采用西门子S7-300 P L C控制，ET200通过PROFIBUS连接PLC组件机床侧PLC分站（横梁、地面及走台操作站）。机床刀架操作站上安装HMI、MCP和HT2手持单元，方便操作与对刀，所有故障与提示信息均中/英文显示。

图1 机床结构示意

SINUMERIK 840Dsl结构配NCU720.3+OP015A+PCU50+M C P 4 8 3 C P N+H T 2+S M C+ET200。

2）测量系统及驱动电动机选型设计。车主轴（S1轴）电动机：SIEMENS 1PH7 226，P=105k W，3A C，400V矢量控制，n=1 150～3 100r/min，M0=870N·m，与减速箱配合使用，电动机内装编码器作位置反馈。

铣削主轴（S2轴）电动机：SIEMENS 1PH7163，P=22kW，n=1 000～3 700r/min，10N·m，带键槽，带密封，电动机内装编码器作位置反馈。

工作台分度轴（C 轴）电动机、小方横梁径向水平移动（X轴）/大方横梁水平移动（U 轴）电动机、车削滑座沿立柱垂直移动（W/W 1 轴）电动机：S I E M E N S 1F T6 108-8AC7，M0=55N·m，P=11.5kW，n=2 000r/min，带制动，内装编码器作位置反馈。X/U轴全闭环光栅尺：HEIDENHAIN LB382C带距离码光栅尺。C 轴全闭环圆光栅编码器：HEIDENHAIN RON285。

立铣刀架水平移动（Y轴）电动机、刀架垂直移动（Z轴）电动机： SIEMENS 1FT6 105-8A C7，M0=38N·m，P=8k W，n=2 000r/min，带制动，内装绝对值编码器作位置反馈。

平衡装置水平移动（ V轴）电动机：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，带键槽，内装编码器作位置反馈。

3）电气控制柜设计。刀架部分设计专用电气控制柜，分别安放在操作走台的后部和横梁顶端。设计制造刀架进给部分的操作箱，并设置有工作台必要的操作按钮。在走台操作箱上安装支撑架，可以在270°范围内摆动，具有锁紧装置。工作台设置独立的操作电气控制柜和操作台站，安放在地面工作台旁边，利于对工作台的运行操控。

4）电气线路设计。电气系统主要由地面控制柜与操作站、刀架控制柜及操作按钮站等组成。地面控制柜与操作站主要负责工作台部分的控制，包括工作台旋转、工作台静压和连锁控制等。刀架控制柜负责滑座升降、滑枕、小滑枕移动、刀架进给、平衡装置及润滑系统的驱动与控制。操作按钮站带手持操作盒，安装在走台上。刀架和刀架滑枕进给设置安全限位开关，设计安全保护程序。通过刀架进给装置与工作台连锁信号交流，设置有效的安全防护措施。

5）机床轴分配（共10个轴/主轴）：滑座沿立柱垂直移动（W/W1轴双滚珠丝杠）、刀架水平移动（Y轴）、刀架垂直移动（Z轴）、小方横梁径向水平移动（X轴）、大方横梁水平移动（U轴）、平衡装置水平移动（V轴）、工作台车削主轴旋转运动（S1轴）、工作台分度轴（C轴）、铣削主轴旋转运动（S2轴）。

6）进给系统的动作要求：①机床电源接通，各进给轴（X轴、Y轴、Z轴、U轴和平衡装置）即应通电锁住各轴，X轴伺服电动机的制动器也应通电松开。②在自动方式下运行各进给轴，首先要求铣头主轴旋转速度到达后，各进给轴才能移动；要求先停止各轴进给移动，再停止铣头主轴旋转运动。③各轴组合行程限位开关动作过程：碰到正/负限位开关电动机停转；碰到紧急限位开关切断电动机电源，按下“超程释放”开关后才可反向开动。④根据专机精度与分度功能要求，U轴、X轴均配置海德汉直线光栅尺，C轴采用海德汉圆光栅编码器（36 000P/R）作为全闭环位置反馈。

2. 设备主要参数及工艺要求

（1）设备主要参数 底座和工作台总高度应在1 500mm之内，在确保安全可靠前提下，车刀夹至底座下平面高度应＜1 500mm。设备具体参数见表1。

表1 设备参数

（2）工艺要求 具体有以下几点：①座环专机设计需满足座环加工范围要求，即最大加工直径为13 500mm，最小加工直径为6 500mm，最大加工高度差3 800mm。②专机可根据座环工件位置吊运并在装配平台上安装。③C轴分度定位精度8″，重复定位精度4″。④粗车最大吃刀量≥8mm，进给量1.5mm/r，表面粗糙度值Ra≤12.5μm，圆跳动≤0.10mm。精车表面粗糙度值Ra应≤3.2μm，圆跳动≤0.10mm，平面度≤0.075mm（φ6 500mm处）、≤0.15mm（φ13 500mm处）。

3. 结语

在3年多的运行加工中，该数控座环加工专机已经完成了多台大型水轮机座环的加工，其中包括白鹤滩水电站世界首台百万千瓦级水轮发电动机组座环的加工制造，取得了显著的经济效益和社会效益。