哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 許建
轉(zhuǎn)子線圈是發(fā)電機(jī)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(gè)發(fā)電機(jī)的制造水平,結(jié)合哈電公司轉(zhuǎn)子線圈的制造經(jīng)驗(yàn)和線圈加工工藝的要求,研發(fā)了XHZ7940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(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),840DsL數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),功能控制軟件、機(jī)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(jī)床參數(shù),完成數(shù)控電氣控制系統(tǒng)的整體連接調(diào)試。
本機(jī)床主要用于汽輪發(fā)電機(jī)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(jī)床由工件夾具;銑頭床身(13);左、右滑座;左、右銑頭立柱;機(jī)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(shí)動(dòng)作;進(jìn)給傳動(dòng)裝置、潤(rùn)滑裝置、氣動(dòng)夾緊裝置(12)、防護(hù)罩(15)、刀庫(kù)(10)、數(shù)控電氣系統(tǒng)、隨機(jī)附件組成。
本專用機(jī)床具有兩組銑頭部件,每組帶有一個(gè)立銑裝置的銑頭和一個(gè)臥式銑頭,布置在床身縱向(長(zhǎng)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(shí)或分別作垂直上下移動(dòng)進(jìn)給Z軸/Z1軸,臥式銑頭可沿立柱上下移動(dòng)進(jìn)給U軸(7)/U1軸,依靠方滑枕進(jìn)行軸向移動(dòng)進(jìn)給V軸(8)/V1軸;機(jī)床有兩條床身,靠近操作位置的前床身為工件基臺(tái)床身,供安裝夾具,裝卡工件用;平行于基臺(tái)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(dǎo)軌沿著床身可以同時(shí)或分別移動(dòng)進(jìn)給X軸(11)/X1軸(16),橫導(dǎo)軌可以保證立柱作垂直于X軸/X1軸的橫向移動(dòng)進(jìn)給Y軸/Y1軸;本機(jī)床的縱向、橫向及垂直導(dǎo)軌均采用直線導(dǎo)軌副,銑頭床身有伸縮不銹鋼防護(hù)罩;每個(gè)立柱上安裝有一個(gè)刀具庫(kù),提供立銑裝置銑頭自動(dòng)換刀。
圖1 立臥式數(shù)控轉(zhuǎn)子線圈加工中心結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)加工零件設(shè)計(jì)工件夾具,工件安裝在工件基臺(tái)床身上,全部采用氣動(dòng)裝置自動(dòng)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(zhǔn),夾具上按銅排長(zhǎng)度均勻設(shè)置有若干壓緊及側(cè)頂裝置,每套壓緊及側(cè)頂裝置各為一個(gè)獨(dú)立單元,根據(jù)工件的長(zhǎng)度不同和加工部位的不同沿基臺(tái)床身上的T形槽移動(dòng)調(diào)整位置,壓緊及側(cè)頂裝置采用氣動(dòng)自動(dòng)夾緊,每個(gè)組件的控制管采用軟管與基臺(tái)床身上的總管相連。對(duì)于成組加工銅排端面及魚尾形接頭時(shí),單獨(dú)設(shè)計(jì)有一套隨行夾具,先由操作者在機(jī)床外將工件成組固定,在加工時(shí)連同隨行夾具一起安裝在機(jī)床夾具上。
該設(shè)備是一臺(tái)加工發(fā)電機(jī)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。
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(jī)床操作面板2件,HT2手持單元2件(用于二個(gè)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(gè)通道、2個(gè)方式組、雙顯示操作單元。10個(gè)數(shù)字進(jìn)給軸,4個(gè)數(shù)字主軸控制,4軸聯(lián)動(dòng)控制。刀具半徑補(bǔ)償、刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償。反向間隙補(bǔ)償、多維低頭補(bǔ)償、螺距誤差補(bǔ)償。零點(diǎn)偏置數(shù)量20組;用戶R參數(shù)數(shù)量200個(gè)。
該專用機(jī)床共有10個(gè)直線進(jìn)給軸和4個(gè)旋轉(zhuǎn)主軸,2個(gè)斗笠式刀具庫(kù)。采用西門子840DsL數(shù)控系統(tǒng),主軸及進(jìn)給軸均采用SINAMICS S120伺服驅(qū)動(dòng)裝置,進(jìn)給軸均采用獨(dú)立的SIEMENS 1FT6電機(jī),主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(SP~SP3軸)采用SIEMENS 1PH8電機(jī),左右滑座(X軸和X1軸)、立柱移動(dòng)(Y軸和Y1軸)、立銑裝置的主軸箱移動(dòng)(Z軸和Z1軸)、臥銑主軸箱上下移動(dòng)(U軸和U1軸),臥銑滑枕移動(dòng)(V軸和V1軸)等10個(gè)進(jìn)給軸均采用1FT6電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),各電動(dòng)機(jī)自帶編碼器作為位置反饋元件。其中10個(gè)進(jìn)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(guó)Heidenhain LB382C,4個(gè)旋轉(zhuǎn)主軸采用主軸電機(jī)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(hào)機(jī)X軸(立柱沿著機(jī)床床身縱向移動(dòng));Y軸(立柱沿著機(jī)床床身橫向移動(dòng));Z軸(立主軸1垂直移動(dòng));U軸(臥主軸垂直移動(dòng));V軸(臥主軸滑枕伸縮移動(dòng));SP軸(立式主軸1);SP2軸(臥式主軸1)。
第2號(hào)機(jī)X1軸(沿著機(jī)床床身縱向移動(dòng));Y1軸(沿著機(jī)床床身橫向移動(dòng));Z1軸(立主軸2垂直移動(dòng));U1軸(臥主軸垂直移動(dòng));V1軸(臥主軸滑枕伸縮移動(dòng));SP1軸(立式主軸2);SP3軸(臥式主軸2)。
NC啟動(dòng):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PROFIBUSDP現(xiàn)場(chǎng)總線地址參數(shù),啟動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)。
進(jìn)行840DsL系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定和調(diào)整:進(jìn)入機(jī)床參數(shù)的設(shè)定界面,安裝系統(tǒng)默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床數(shù)據(jù),列舉設(shè)置調(diào)整的主要機(jī)床參數(shù)。
3.3.1 進(jìn)入“GENERAL”窗口(通用機(jī)床數(shù)據(jù)設(shè)定)
MD10000[0…13]定義機(jī)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(shí)間:0.004s;MD10720[0…13]定義默認(rèn)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(jìn)入“CHANNEL SPECIFIC”(特別通道機(jī)床數(shù)據(jù)設(shè)定)
MD20000[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(hào):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(hào):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(hào):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(hào):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(jìn)入“AXEXSPECIFIC”(特別軸機(jī)床數(shù)據(jù)設(shè)定)
MD30110定義電動(dòng)機(jī)軸的物理模塊位置:驅(qū)動(dòng)器號(hào)/模塊號(hào)(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(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(shí)軸方式);MD30200=1/2定義第一或第二測(cè)量系統(tǒng)生效;MD30240=1定義測(cè)量系統(tǒng)的類型:(1表示增量測(cè)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(cè)量元件類型:(1表示直線測(cè)量裝置,0表示旋轉(zhuǎn)測(cè)量裝置);MD31010定義光柵尺柵距:0.004(光柵尺節(jié)點(diǎn)距離)直線標(biāo)尺刻度,輸入值與實(shí)際值相符;MD31020定義編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù):2048;MD31040=1直接測(cè)量系統(tǒng);MD31050和MD31060定義電動(dòng)機(jī)到絲杠的減速比:輸入值要與實(shí)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(shí)際值相符。
3.2.4 進(jìn)給軸的測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)
MD34040=200(返參考點(diǎn)速度);MD34060=40(返參考點(diǎn)最大移動(dòng)距離);MD34200=3(回零方式),(3表示帶距離碼的增量型測(cè)量裝置);MD34300=20(標(biāo)準(zhǔn)參考點(diǎn)標(biāo)志柵格間距),(Heidenhain LB382C光柵尺為20mm);MD34310=0.02(距離碼光柵尺兩個(gè)參考標(biāo)志之間的間隔值);MD34320=0(返參方向與實(shí)際值顯示是否一致),(0:方向一致,1:反向?qū)ふ遥?.2.5 設(shè)置各個(gè)軸(包括主軸)的具體參數(shù)
最后進(jìn)入“MACHINE DATA”,設(shè)置控制參數(shù)、機(jī)械傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)方向、反饋極性、位置增益、定位誤差、報(bào)警極限等。
840DsL數(shù)控系統(tǒng)配置4個(gè)通道、2個(gè)方式組,采用雙PCU50、雙MCP、雙HT2在同一以太網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)雙顯示以及雙操作控制。修改PCU50的網(wǎng)絡(luò)地址,使其對(duì)應(yīng)關(guān)系為2∶1(2個(gè)PCU50對(duì)應(yīng)1個(gè)NUC),有關(guān)PCU50配置文件主要有config.ini和netnames.ini,PCU地址的設(shè)置取決于netnames.ini文件。
netnames.ini文件如下:
對(duì)于第2個(gè)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(gè)PCU50的以太網(wǎng)地址由原來(lái)的“192.168.214.241”改為需要的值“192.168.214.242”。重新啟動(dòng)PCU50即可。
下面以1個(gè)PCU50.3對(duì)應(yīng)1個(gè)配置了4個(gè)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 etnames.ini內(nèi)容如下:
修改NETNAMES.INI后,重新啟動(dòng)PCU50即可。
加工中心帶有刀具庫(kù),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(tái)DB數(shù)據(jù)塊作為PLC接口,根據(jù)刀庫(kù)結(jié)構(gòu)形式來(lái)組態(tài),靈活方便、功能強(qiáng)大,可適用于多種形式以及特殊結(jié)構(gòu)的刀庫(kù)。換刀通過(guò)NC編程與PLC編程相結(jié)合實(shí)現(xiàn),NC程序控制相應(yīng)的軸移動(dòng),完成每一步驟就通知PLC修改刀具管理數(shù)據(jù),使其與實(shí)際狀態(tài)始終保持一致。
刀庫(kù)管理相關(guān)的PLC接口信號(hào)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(kù)換刀數(shù)據(jù)塊DB73以及刀庫(kù)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(lái)確認(rèn)轉(zhuǎn)塔刀庫(kù)的換刀命令,F(xiàn)C8用來(lái)確認(rèn)刀庫(kù)管理任務(wù)的完成,可用FC22來(lái)計(jì)算并選擇刀庫(kù)的最短運(yùn)行路徑。FC90用于建立刀具管理任務(wù)表。
4.3.1 FC8數(shù)據(jù)傳輸功能塊的應(yīng)用
FC8的數(shù)據(jù)傳輸執(zhí)行模式有裝卸刀具、刀具準(zhǔn)備/換刀、轉(zhuǎn)塔換刀、異步傳輸、帶刀位預(yù)約的異步傳輸5種,它通過(guò)參數(shù)“TaskIdent”來(lái)識(shí)別,每次任務(wù)完成都會(huì)通過(guò)FC8來(lái)修改新/舊刀具的位置數(shù)據(jù)。
4.3.2 FC90刀具管理任務(wù)表的應(yīng)用
下面是以1臺(tái)含有24個(gè)刀位的盤式刀庫(kù)、1個(gè)主軸、1個(gè)雙手爪機(jī)械手的加工中心來(lái)說(shuō)明刀具管理任務(wù)表的建立過(guò)程。
FC90可根據(jù)刀具管理任務(wù)表對(duì)DB90中對(duì)應(yīng)的每1位狀態(tài)進(jìn)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(lái)修改DB90相應(yīng)的刀具數(shù)據(jù)位。
4.3.2.1 換刀的動(dòng)作過(guò)程
當(dāng)程序執(zhí)行到T代碼時(shí),首先系統(tǒng)判別刀庫(kù)里有無(wú)此刀號(hào),如果沒(méi)有,則發(fā)出報(bào)警(如T代碼錯(cuò)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(kù)的具體位置,驅(qū)動(dòng)刀盤電機(jī),通過(guò)刀盤上計(jì)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(zhǔn)備,手爪2在刀庫(kù)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(dòng)返回到換刀點(diǎn)且主軸定向準(zhǔn)??刂啤?/p>
手爪1取舊刀時(shí)主軸松刀,并發(fā)出主軸松刀到位信號(hào)。
機(jī)械手拔刀伸出后旋轉(zhuǎn)180度,然后機(jī)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(hào)。
機(jī)械手回等待位,舊刀回到刀庫(kù)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(fēng)槽結(jié)構(gòu),兩通風(fēng)槽間隔較近,在金加工過(guò)程中有變形的風(fēng)險(xiǎn);線規(guī)寬且薄,在銑接頭過(guò)程中易產(chǎn)生形變。轉(zhuǎn)子線圈采用了變線規(guī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),在直線與轉(zhuǎn)角連接的焊口處進(jìn)行了倒角設(shè)計(jì)。新型刀具應(yīng)用,使用三面刃銑刀組進(jìn)行雙排通風(fēng)直槽加工,使用鍵槽銑刀進(jìn)行45°槽加工。轉(zhuǎn)角通風(fēng)槽使用提制三面刃銑刀組,實(shí)現(xiàn)了三排孔、雙排槽、接頭倒角等新結(jié)構(gòu)的加工;通過(guò)增加復(fù)型工序,保證了成品線圈的端部形狀質(zhì)量。加工過(guò)程中使用切削液進(jìn)行輔助,立式主軸以高轉(zhuǎn)速加工,保證雙排通風(fēng)槽加工精度。采用一次裝夾兩件,減少裝夾輔助時(shí)間,提高加工效率。
根據(jù)1000MW超臨界發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈冷卻通風(fēng)道的圓弧半徑和寬度尺寸設(shè)計(jì)選擇刀具,根據(jù)線圈的節(jié)距及雙排孔節(jié)距偏差進(jìn)行加工定位,在各工序加工時(shí)一次裝夾兩根銅排,端面加工及成組魚尾形接頭加工時(shí)一次裝夾一個(gè)轉(zhuǎn)子槽數(shù)量的銅排,設(shè)計(jì)用于汽輪發(fā)電機(jī)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(chǔ)區(qū)里,根據(jù)加工對(duì)象進(jìn)行調(diào)用;加工過(guò)程中自動(dòng)更換刀具,實(shí)現(xiàn)高速度主軸數(shù)字驅(qū)動(dòng)和銑鏜全功能加工,保證轉(zhuǎn)子線圈的全序自動(dòng)加工;本機(jī)床操作可以左右銑頭同時(shí)動(dòng)作,也可任一銑頭單獨(dú)操作,機(jī)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(jī)床運(yùn)行的連鎖保護(hù)功能:工件床身上銅排的夾緊、放松、潤(rùn)滑油路等各種操作狀態(tài)正常后,才允許機(jī)床運(yùn)行程序加工工件。
完善、可靠的報(bào)警系統(tǒng),能對(duì)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控。當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí),在屏幕上發(fā)出簡(jiǎn)體中文信息顯示,便于查找和處理。
4.3.4 加工工藝編程
機(jī)床采用右手直角笛卡爾坐標(biāo)系,通過(guò)回參考點(diǎn)確定機(jī)床原點(diǎn),建立起來(lái)機(jī)床坐標(biāo)系,工件坐標(biāo)系可通過(guò)對(duì)機(jī)床坐標(biāo)系的零點(diǎn)偏置、平移、旋轉(zhuǎn)、鏡像等得到。設(shè)計(jì)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。
本機(jī)床用于汽輪發(fā)電機(jī)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(tái)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(jī)床設(shè)計(jì)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(hù)功能強(qiáng)、定位精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠,為設(shè)備的多軸復(fù)合控制、多工序一體加工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。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(jìn)給軸采用交流伺服驅(qū)動(dòng),全閉環(huán)控制,這些技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都處于先進(jìn)水平。