浏览次数：2821立项背景
哈尔滨电机厂有限责任公司是一个拥有六十多年发展历史的企业，担负着国家大型水火发电设备的生产制造任务，随着发电设备规模的扩大，机械加工设备也不断地进行升级改造。哈电公司在90年代末从武汉重型机床厂购买的CKX53160数控单柱移动立式铣车床，是加工大型水电产品部件的主要机床，原机床采用西门子840C数控系统与611A伺服驱动系统及1FT5交流电机，由于电气系统老化严重、故障率高、工作台承重达不到要求、铣削功能不完善、横梁升高后低头严重，已不能满足生产需要。对现有大型旧机床进行改造，配备与之相适应的数控电气系统，再制造机械传动系统，提高机械精度，把旧机床改成现代数控机床，不失为一条投资少，提升产品加工质量和效率的捷径。
2内涵和主要方法
CKX53160数控单柱移动立式铣车床技术改造内涵和主要方法如下：
（1）采用西门子 840DsL数控系统和S120交流伺服驱动系统及1FT7交流电机对电气进行升级改造，设计电气图，制作电气控制柜，完成硬件连接。
（2）计算机通过以太网与NCU单元进行在线连接，把机床数据、PLC程序、报警文本等传送到NC系统中，在线检测PLC程序运行状态，操作机床调试功能。
（3）PLC各控制单元集散式分布，采用现场总线和网络通讯方式，技术先进，可靠性高。
（4）NC接口信号复杂，编制的PLC控制程序采用模块化结构，逻辑保护及报警功能完善。
（5）转台静压由恒压式改为恒流式静压系统。
3 原理或机理
CKX53160数控单柱移动立式铣车床，由工作台、底座、主变速箱等组成主运动部分和立柱、横梁、进给箱、车铣刀架、侧刀架、操纵台、手持单元等部分组成。车铣刀架滑座可以沿横梁导轨水平移动（X轴），滑枕在刀架体内垂直移动（Z轴）；侧刀架滑座可以沿立柱导轨垂直移动（W轴），滑枕在侧刀架体内水平移动（U轴）；其中第一主轴为工作台车旋转（主S轴），第二主轴为立刀架滑枕孔内传动铣削旋转轴（S1轴），第三主轴为侧刀架滑枕孔内传动铣削旋转轴（S2轴）。工作台车削旋转外还有分度圆周铣削进给运动（C轴）。机床上共设有3个主轴和5个伺服进给轴，根据需要车S主轴与铣C分度主轴自动切换及机械互锁,并通过对数控系统的坐标变换等功能的研究应用与二次开发, 解决回转工作台在车削与铣削复合加工中不同加工功能自动转换的应用问题；在精度保证方面,重点解决在铣削加工时，用慢速进给齿轮箱双齿轮加反向预紧力消隙传动，保障转台C分度主轴准确定位，而在车削加工时大扭矩输出的应用技术。车铣复合功能可以满足车、铣、镗、钻等多种工序加工。
3.1电气改造技术要求
采用西门子840DsL新型数控系统与S120伺服驱动系统及1FT7交流电机的技术改造。完成电气控制系统设计，编制PLC软件程序，匹配调整机床参数，实现系统控制功能，机械系统修理调整，恢复机床的精度，提高机床可靠性。
（1）数控部分
根据机床的结构﹑性能﹑运行状态﹑现有加工精度﹑特殊功能等要求，结合电缆长度﹑电机扭矩及额定转速﹑主轴功率﹑系统安装空间、系统控制元器件连接接口等特点，提出性能价格比较优的数控系统选型与配置方案。采用西门子SINUMERIK 840Dsl数控系统，采用最新的车、铣软件版本功能，具有车和铣双通道和双工作方式组、多垂度补偿、圆柱面铣削等功能。数控单元NCU730.3 BPN（自带PLC: CPU319-3PN/DP,支持最多31个轴/主轴）；带有 NC软件的CF卡可以支持4个数字直线轴（X.Z.U.W）+1个数字回转轴（C）+2数字铣主轴(S1/S2)+1个模拟主轴(S)控制；车刀架（X.Z.S）、铣刀架（X.Z.C.S1）、侧刀架（U.W.S2）能实现编程坐标最多4轴联动功能；在横梁走台上系统配置有显示器单元的操作站，配备HT2手持操作单元；标准配置PCU50计算机单元（PCU50.5-C，Operator操作系统）、HMI人机显示接口( OP 015A型操作单元，15寸彩显）和 MCP 483C PN机床控制面板（以太网连接）。
（2）进给轴及铣主轴部分
各进给轴（X、Z、U、W、C）均采用S120驱动器，1FT7交流伺服电机(Z\W轴电机自带抱闸)，原装西门子配置电缆、进线电抗器、滤波器、位置和功率模块，配置驱动电源；配S120 调试的程序软件和诊断软件。铣刀架主轴（S1）和侧刀架铣主轴（S2）采用西门子主轴变频电机1PH8和S120驱动系统，自带位置编码器和Driver CLiQ接口。
（3）工作台车主轴部分
保留原工作台车削主轴（S）电机，保留原西门子6RA27主轴驱动系统。
（4）各轴位置反馈系统
车X轴采用HEIDENHAIN LB382C直线型光栅尺；车Z轴和侧刀架U/W轴采用HEIDENHAIN 绝对值编码器；分度轴 C 采用HEIDENHAIN ROD 880C 型圆光栅（36000线）全闭环控制；工作台主轴（S）采用装在主齿轮箱上的西门子编码器；铣刀架主轴（S1）和侧刀架主轴（S2）采用装在电机上的西门子编码器。
（5）手持单元和PLC部分
横梁走台操作站配手持单元HT2(带手轮、急停开关、操作键和数字显示器等)；机床各部位逻辑控制采用 SIMATIC S7-300（CPU319F-3 PN/DP）带有五个ET200 扩展输入/输出单元，集散式分布，通过PROFIBUS现场总线与机床侧ET200分站（横梁，地面，走台操作站）连接，配置数字输入和输出模块，模拟量输出控制变频器给定。
（6）电气控制柜制作
按照设计的电气原理图和接线图配制电控柜，所安装的电气元件符合国家标准，电控柜内部密封，带防尘设计并配置空调，达到西门子系统湿度、温度要求。柜内主要装有西门子数控系统及伺服驱动系统模块，包括电源模块和电源接口模块、功率模块、PLC模块、中间继电器、电源开关、变压器、低压断路器、接触器、软启动器、变频器、直流24V电源等主要电气件为西门子或施耐德等知名品牌。
3.2 机械技术改造主要内容
（1）转台静压由恒压式改为恒流式静压系统。
（2）更换横梁升降滚珠丝杠，重新修磨或制作横梁升降导轨面的镶条，保证横梁升降平稳可靠；检修横梁减速箱，消除反向间隙，保证机械传动可靠。
（3）安装新伺服驱动电机，检查维修各轴传动系统，更换磨损或损坏的轴承、齿轮等零部件，消除传动间隙，保证传动精度。
（4）恢复机床几何精度和定位精度，保证机床加工精度。
（5）恢复及优化液压系统报警功能，包括油箱油位监测、油压监测、油温监测、流量监测、过滤器、转台油膜厚度检测等报警，确保液压系统运行安全可靠。
（6）恢复机床换挡自动找档位功能，换挡过程中摆动齿轮避免顶齿，确保换挡齿轮自动找档位，换挡可靠。
4 创新亮点和值得学习借鉴之处
（1）开发端面铣削功能
端面铣削功能需机床具有可用于分度进给功能的C 轴及用于铣削动力的铣主轴，通过特定的系统功能可实现端面整圆加工。开通Transmit数控系统选件功能，根据以下参数列表进行端面铣削功能的设定：转换功能使用“Transmit”指令激活，使用“Trafoof”指令关闭。Transmit功能转换机床坐标系，X轴和C轴坐标模拟为X轴和Y轴G17平面的直角坐标系，程序中的任何“X”、“Y”的运动指令都会转化为X和C轴的插补运动（C轴在零点时除外）。 利用Transmit功能端面转换后，转台分度轴C轴与X轴的联动可以模拟出Y轴功能，使用铣削循环可实现车床上的端面加工钻孔或轮廓铣削。在铣方式下，与铣刀架主轴（S1）共同组合，将机床模拟成一台具有X、Y、Z三轴联动的数控立式铣床。
注意：由于坐标系的转换，在转换指令中的进给运动最好使用增量进给指令。为了保证X轴和Y轴铣圆轮廓的准确，X轴的工件坐标零点要与卡盘中心重合, 并且X轴和虚拟Y轴要做圆度测试优化补偿。
（2）横梁升降到不同高度进行自动低头误差补偿
CKX53160数控单柱移动立式铣车床的X轴向转台中心运行时Z轴的“低头”情况是重要精度指标，横梁在不同的高度时产生的机械变形量也不相同，需要在不同的高度对机床进行悬垂补偿。840Dsl数控系统中可以生成多条补偿曲线，通过修改PLC参数对生效曲线进行切换。需要订购CNC软件选项功能6FC5800-0AM55-0YB0（多维垂度补偿，双向补偿功能）。
在MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS参数中设置误差补偿曲线的数量和每条曲线最大的补偿点。16米立车的横梁行程最大可升高5.5米，在立柱上设有5个行程开关检测横梁高度位置，在不同高度测量出横梁的变形量，输入五条不同的补偿曲线。横梁上升或下降到碰撞开关时，利用PLC的FB3机床数据写入功能，重新写入SD41300 $SN_CEC_TABLE_ENABLE[0]至SD41300 $SN_CEC_TABLE_ENABLE[4]的数值，使得当前位置的这条横梁低头误差补偿曲线自动生效，保证了横梁在5个不同高度上都能保持与转台水平，满足加工精度的要求。
（3）工作台静压由恒压式改成恒流式静压系统
工作台三环静压导轨分别供油，选用4台15KW调频电机用于旋转工作台恒流静压导轨液压泵站，根据工件重量的不同，油膜厚度也发生变化，通过油膜厚度检测装置控制调频电机进行调速，从而改变齿轮泵的流量，使油膜厚度控制在0.12mm～0.16mm之间。吨位5挡选择，油膜厚度6处检测。选用2套油冷却装置。在恒流技术中，油膜厚度与负载成3次方关系，即负载变化8倍油膜厚度变化2倍，具有更高的油膜刚度。流量恒定静压导轨，油腔的压力取决于输出的流量, 油膜的厚度和负荷。为了检查, 在多循环泵的后面，油腔的供油管路中安装一个带有压力计的测量板。压力计可以切换到每个供油管路，直接读出每个油腔的压力值。
5 实施应用前后效益情况对比
（1）采用西门子840DsL数控系统与S120交流进给伺服系统及1FT7交流电动机对CKX53160数控单柱移动立式铣车床的电气系统进行升级改造。西门子840Dsl数控系统设有双通道和双方式组，接口信号复杂，开发应用难度大，重新编制4千余条PLC软件程序，逻辑保护功能强，提高了机床的控制功能；通过优化调整S120伺服系统参数使机械传动与电气驱动系统的动态特性相匹配，提高位置控制精度；进行机械传动系统改造，提高机械精度；转台静压系统改造，使得工作台承重达到550吨，提高加工大型工件的能力。该机床具有车刀架、铣刀架和侧刀架，可以一次装卡完成多道工序的车铣复合加工，特别适用于圆体、转轮、座环、顶盖、底环、轴类等水轮机导水机构组件的加工，为哈电带来巨大的经济效益与社会效益。
（2）节省工程费用50多万元。我们仅用300多万元，使这台机床得以可靠稳定的运行，具有全数控功能，若购买同类型的国产新机床约需3千多万元，为我厂节约几千万元购买新设备的资金。
6 推广应用范围
数控机床、自动化控制、机械制造、电力制造。
（1）改造后的16米立车主要用于白鹤滩水电站的转轮、座环、顶盖、底环、控制环、轴类等导水机构组件的加工。
（2）哈电16米立车升级改造的研究成果已应用于水电分厂罗马尼亚8米5数控立车、斯柯达Φ200数控镗床 、德国科堡五轴龙门铣的大修改造中，取得了优异的应用效果。
(3) 软件技术开发难度大，编制的 PLC 逻辑控制程序采用模块化编程具有较好的应用推广价值；调整数控系统和伺服系统参数使机电匹配，达到了较高的定位精度及先进的数控功能；经过激光干涉仪测量，由数控系统螺距补偿，X轴的重复定位精度达到了0.01mm、定位精度0.015mm，C轴的重复定位精度达到了3秒、定位精度5秒，改造后该机床性能优异，运行稳定，车铣复合功能强大，以上这些技术在国内外都处于先进水平，有很好地推广应用前景。