大型汽轮发电机线圈所用铣削加工中心的研制

　　东方电机股份有限公司生产的30万千瓦、60万千瓦汽轮发电机，其线圈加工工艺特殊，线圈加工质量直接关系到发电机效率及安全。大型汽轮发电机转子线圈铜排上的通风孔，其形状及排列情况直接决定着汽轮发电机的散热，进而影响到汽轮发电机的可靠性、稳定性及效率。因此，东电自行研制了线圈铣削加工中心。

　　1 线圈铣削加工中心的机械架构

　　如图1 所示，线圈铣削加工中心由1#～4#四个铣削头和一个工作台组成。1#～4#四个铣削头可根据需要分别作上下运动。每个铣削头由A、C两个圆盘铣刀和1个棒铣刀B组成;圆盘铣刀A进行铣通孔加工、圆盘铣刀C进行通孔两侧的倒角加工;棒型铣刀B用于铜排铣削后的去除毛刺工作。被加工的铜排固定于工作台上，工作台由伺服电机控制进行水平运动和准确定位。

图1

　　2 线圈铣削加工中心的控制系统

　　该加工中心采用开放式的数控系统(CNC)进行控制。基于PC、微处理器及其体系结构的开放式数控系统，利用成熟的PC硬件来组成他们的系统，因而节省开发专用硬件的费用，降低成本。同时，由于PC总线是一种开放性的总线，所以系统的硬件体系结构就具有了开放性、模块化、可嵌入的特点。另外，为了使系统能更好地适应不同需要，满足多样性的要求，就要在控制系统的系统软件方面下功夫，使系统软件依据用户级别的不同提供不同程度的开放，根据用户需要配置系统，达到用户的要求。另外，由于系统是基于PC的，所以在软件设计的同时可以充分利用PC机丰富的软件资源，组成开发控制系统的软件平台，达到事半功倍的效果。大型汽轮发电机线圈铣削加工中心属专用加工设备，故而我们采用了开放式的数控系统对其进行控制。控制系统结构如图2所示。

图2

　　考虑到安装该加工中心的车间工况条件较差(电源波动较大、粉尘较多、大功率用电设备及电焊机较多)，我们在CNC系统的开发、使用中特别强调了可靠性。

　　CNC系统是集精密电子技术、精密检测技术、软件技术、控制技术、计算机技术于一体的复杂整体，其发展趋势是高性能、多功能、高精度、高速度、高柔性及高可靠性，高可靠性是高性能、高精度、高效率及良好效益得以实现的决定因素。CNC系统可靠性的保障措施应从CNC系统的设计、硬件、软件及使用等方面考虑，既要注意消除影响可靠性的干扰源，又要注意提高CNC系统本身的抗干扰能力。

　　1) 我们在设计中，将CNC系统的主体安置在机床加工区以外，但其执行部件、检测部件如伺服电机、限位开关、零件开关、光栅、码盘等往往不能脱离加工区域，冷却液及油液完全可能对其造成损害;工业现场环境恶劣，粉尘、铁屑、静电、振动等对CNC系统中广泛使用的电子器件、印刷电路板有致命危害;部分机床上的伺服电机随机械执行部件运动，使电缆及信号线长期周而复始地伸曲摩擦，极易磨损，引起故障甚至事故。因此，在CNC机床及CNC系统的设计时，我们对机床的总体架构、伺服电机及限位开关的把合位置、电线电缆的走行方式等进行了认真考虑，并且对CNC系统的封装给予足够重视。

　　2) 电磁干扰是影响CNC系统可靠性的主要原因之一。一般电源波动、电器开关及功率开关元件的通断、电子器件固有干扰、地线线径大小、电路布局、公共阻抗、信号畸变、信号相互干扰、信号失真、外来干扰等均可最终归于电磁干扰。一般采取屏蔽、平衡干扰信号(如导线绞行)、各功能模块分电源供电、滤波、光电藕合、阻容吸收、二极管泄放等措施解决。

　　由于大型汽轮发电机线圈铣削加工中心的安装现场有大量电焊机使用，我们采取了以下措施：电焊机的电源电流线尽量远离CNC系统;CNC系统发出的控制信号经放大后送给伺服系统，确保信号不因传输距离大而被干扰;机床所有开关信号均经过继电器隔离后进入CNC系统;CNC电源经过滤波;CNC系统使用watchdog功能使CNC系统不致受影响死机;采用光电藕合、阻容吸收、RC抑制。

　　在交流伺服系统中，电路电压与电流脉冲振荡的谐波分量造成强电磁干扰，通过辐射及传导方式影响其他电子器件及CNC系统的工作。一方面，干扰信号从输入端电源线反馈传导出去，其基波低而高次谐波丰富故对供电电网造成危害，不仅使CNC系统受干扰而且使供电效率下降;另一方面，伺服输出的陡峭脉冲包含多次高频谐波，伺服与电机间的连接电缆存在杂散电容，高频脉冲信号与杂散电容藕合而产生漏电流。漏电流和多次高频谐波辐射影响CNC系统及其电子器件，造成危害。

　　在大型汽轮发电机线圈铣削加工中心的制造中，我们采取了以下措施：使用滤波器阻止干扰信号沿电源线传输以及进行阻抗变换，使干扰信号被反射回干扰源。在伺服的输入输出端均进行滤波;正确的接地——为高频干扰信号形成低阻通路，从而抑止干扰;良好的屏蔽——防止伺服系统向外辐射干扰信号，防止外界干扰信号进入伺服系统。

　　3) 编制CNC系统软件时，使用软件容错、避错技术提高可靠性。采取编制处理子程序的方法提高CNC系统的抗干扰能力，如软件冗余检错、定时监测、输入输出数据处理。

　　CNC系统的检测器件受到干扰时，我们使之成对地产生加、减脉冲给CNC系统，CNC收到加脉冲时进行内存加字运算，收到减脉冲时采用程序中断的方式使内存做减字运算。这样，即使有干扰产生了加脉冲，利用加减脉冲时间上的先后之差对脉冲进行处理，不影响CNC的位置控制。

　　4) CNC的使用者对其可靠性存在影响。由于CNC系统的设计与制造水平不断提高，相对的，CNC系统的安装调试人员、操作人员、维修人员等的素质对CNC系统的可靠运行的影响越来越大，对他们进行严格、规范的系统培训是必要的。让他们能够正确地对CNC系统进行安装、调试、使用、维护、修理，避免可能影响可靠性的因素产生、积累和扩大。

　　5) 强电逻辑不合理也影响CNC系统的可靠性。机床强电逻辑错误或不严密可能造成CNC系统的瘫痪、损害以及CNC使用者的伤害、加工产品报废等。

　　3 线圈铣削加工中心研制中的创新点与实际使用效果

　　1) 东方电机股份有限公司研制的线圈铣削加工中心，首次将线圈加工的铣孔、倒角、去毛刺等工序综合在铜排的一次装夹后进行，保证了线圈的加工精度和加工效率。

　　2) 在该加工中心的控制系统中采用了大量的可靠性保证措施，使该加工中心性能稳定，充分满足了线圈加工需要。

　　3) 在对该加工中心的可靠性评价中，采取常规MTBF统计和模糊评判的方法进行，提高了可靠性评价的准确度。

　　4) 由于线圈加工中心良好的投资收益比，东方电机股份有限公司已先后制造了三台该型设备并投入使用。