東方電機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的30萬千瓦、60萬千瓦汽輪發(fā)電機(jī)，其線圈加工工藝特殊，線圈加工質(zhì)量直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)效率及安全。大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈銅排上的通風(fēng)孔，其形狀及排列情況直接決定著汽輪發(fā)電機(jī)的散熱，進(jìn)而影響到汽輪發(fā)電機(jī)的可靠性、穩(wěn)定性及效率。因此，東電自行研制了線圈銑削加工中心。

　　1 線圈銑削加工中心的機(jī)械架構(gòu)

　　如圖1 所示，線圈銑削加工中心由1#～4#四個(gè)銑削頭和一個(gè)工作臺(tái)組成。1#～4#四個(gè)銑削頭可根據(jù)需要分別作上下運(yùn)動(dòng)。每個(gè)銑削頭由A、C兩個(gè)圓盤銑刀和1個(gè)棒銑刀B組成;圓盤銑刀A進(jìn)行銑通孔加工、圓盤銑刀C進(jìn)行通孔兩側(cè)的倒角加工;棒型銑刀B用于銅排銑削后的去除毛刺工作。被加工的銅排固定于工作臺(tái)上，工作臺(tái)由伺服電機(jī)控制進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)和準(zhǔn)確定位。

圖1

　　2 線圈銑削加工中心的控制系統(tǒng)

　　該加工中心采用開放式的數(shù)控系統(tǒng)(CNC)進(jìn)行控制。基于PC、微處理器及其體系結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，利用成熟的PC硬件來組成他們的系統(tǒng)，因而節(jié)省開發(fā)專用硬件的費(fèi)用，降低成本。同時(shí)，由于PC總線是一種開放性的總線，所以系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)就具有了開放性、模塊化、可嵌入的特點(diǎn)。另外，為了使系統(tǒng)能更好地適應(yīng)不同需要，滿足多樣性的要求，就要在控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件方面下功夫，使系統(tǒng)軟件依據(jù)用戶級(jí)別的不同提供不同程度的開放，根據(jù)用戶需要配置系統(tǒng)，達(dá)到用戶的要求。另外，由于系統(tǒng)是基于PC的，所以在軟件設(shè)計(jì)的同時(shí)可以充分利用PC機(jī)豐富的軟件資源，組成開發(fā)控制系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，達(dá)到事半功倍的效果。大型汽輪發(fā)電機(jī)線圈銑削加工中心屬專用加工設(shè)備，故而我們采用了開放式的數(shù)控系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2

　　考慮到安裝該加工中心的車間工況條件較差(電源波動(dòng)較大、粉塵較多、大功率用電設(shè)備及電焊機(jī)較多)，我們?cè)贑NC系統(tǒng)的開發(fā)、使用中特別強(qiáng)調(diào)了可靠性。

　　CNC系統(tǒng)是集精密電子技術(shù)、精密檢測(cè)技術(shù)、軟件技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的復(fù)雜整體，其發(fā)展趨勢(shì)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實(shí)現(xiàn)的決定因素。CNC系統(tǒng)可靠性的保障措施應(yīng)從CNC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、硬件、軟件及使用等方面考慮，既要注意消除影響可靠性的干擾源，又要注意提高CNC系統(tǒng)本身的抗干擾能力。

　　1) 我們?cè)谠O(shè)計(jì)中，將CNC系統(tǒng)的主體安置在機(jī)床加工區(qū)以外，但其執(zhí)行部件、檢測(cè)部件如伺服電機(jī)、限位開關(guān)、零件開關(guān)、光柵、碼盤等往往不能脫離加工區(qū)域，冷卻液及油液完全可能對(duì)其造成損害;工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，粉塵、鐵屑、靜電、振動(dòng)等對(duì)CNC系統(tǒng)中廣泛使用的電子器件、印刷電路板有致命危害;部分機(jī)床上的伺服電機(jī)隨機(jī)械執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)，使電纜及信號(hào)線長(zhǎng)期周而復(fù)始地伸曲摩擦，極易磨損，引起故障甚至事故。因此，在CNC機(jī)床及CNC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，我們對(duì)機(jī)床的總體架構(gòu)、伺服電機(jī)及限位開關(guān)的把合位置、電線電纜的走行方式等進(jìn)行了認(rèn)真考慮，并且對(duì)CNC系統(tǒng)的封裝給予足夠重視。

　　2) 電磁干擾是影響CNC系統(tǒng)可靠性的主要原因之一。一般電源波動(dòng)、電器開關(guān)及功率開關(guān)元件的通斷、電子器件固有干擾、地線線徑大小、電路布局、公共阻抗、信號(hào)畸變、信號(hào)相互干擾、信號(hào)失真、外來干擾等均可最終歸于電磁干擾。一般采取屏蔽、平衡干擾信號(hào)(如導(dǎo)線絞行)、各功能模塊分電源供電、濾波、光電藕合、阻容吸收、二極管泄放等措施解決。

　　由于大型汽輪發(fā)電機(jī)線圈銑削加工中心的安裝現(xiàn)場(chǎng)有大量電焊機(jī)使用，我們采取了以下措施：電焊機(jī)的電源電流線盡量遠(yuǎn)離CNC系統(tǒng);CNC系統(tǒng)發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)放大后送給伺服系統(tǒng)，確保信號(hào)不因傳輸距離大而被干擾;機(jī)床所有開關(guān)信號(hào)均經(jīng)過繼電器隔離后進(jìn)入CNC系統(tǒng);CNC電源經(jīng)過濾波;CNC系統(tǒng)使用watchdog功能使CNC系統(tǒng)不致受影響死機(jī);采用光電藕合、阻容吸收、RC抑制。

　　在交流伺服系統(tǒng)中，電路電壓與電流脈沖振蕩的諧波分量造成強(qiáng)電磁干擾，通過輻射及傳導(dǎo)方式影響其他電子器件及CNC系統(tǒng)的工作。一方面，干擾信號(hào)從輸入端電源線反饋傳導(dǎo)出去，其基波低而高次諧波豐富故對(duì)供電電網(wǎng)造成危害，不僅使CNC系統(tǒng)受干擾而且使供電效率下降;另一方面，伺服輸出的陡峭脈沖包含多次高頻諧波，伺服與電機(jī)間的連接電纜存在雜散電容，高頻脈沖信號(hào)與雜散電容藕合而產(chǎn)生漏電流。漏電流和多次高頻諧波輻射影響CNC系統(tǒng)及其電子器件，造成危害。

　　在大型汽輪發(fā)電機(jī)線圈銑削加工中心的制造中，我們采取了以下措施：使用濾波器阻止干擾信號(hào)沿電源線傳輸以及進(jìn)行阻抗變換，使干擾信號(hào)被反射回干擾源。在伺服的輸入輸出端均進(jìn)行濾波;正確的接地——為高頻干擾信號(hào)形成低阻通路，從而抑止干擾;良好的屏蔽——防止伺服系統(tǒng)向外輻射干擾信號(hào)，防止外界干擾信號(hào)進(jìn)入伺服系統(tǒng)。

　　3) 編制CNC系統(tǒng)軟件時(shí)，使用軟件容錯(cuò)、避錯(cuò)技術(shù)提高可靠性。采取編制處理子程序的方法提高CNC系統(tǒng)的抗干擾能力，如軟件冗余檢錯(cuò)、定時(shí)監(jiān)測(cè)、輸入輸出數(shù)據(jù)處理。

　　CNC系統(tǒng)的檢測(cè)器件受到干擾時(shí)，我們使之成對(duì)地產(chǎn)生加、減脈沖給CNC系統(tǒng)，CNC收到加脈沖時(shí)進(jìn)行內(nèi)存加字運(yùn)算，收到減脈沖時(shí)采用程序中斷的方式使內(nèi)存做減字運(yùn)算。這樣，即使有干擾產(chǎn)生了加脈沖，利用加減脈沖時(shí)間上的先后之差對(duì)脈沖進(jìn)行處理，不影響CNC的位置控制。

　　4) CNC的使用者對(duì)其可靠性存在影響。由于CNC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造水平不斷提高，相對(duì)的，CNC系統(tǒng)的安裝調(diào)試人員、操作人員、維修人員等的素質(zhì)對(duì)CNC系統(tǒng)的可靠運(yùn)行的影響越來越大，對(duì)他們進(jìn)行嚴(yán)格、規(guī)范的系統(tǒng)培訓(xùn)是必要的。讓他們能夠正確地對(duì)CNC系統(tǒng)進(jìn)行安裝、調(diào)試、使用、維護(hù)、修理，避免可能影響可靠性的因素產(chǎn)生、積累和擴(kuò)大。

　　5) 強(qiáng)電邏輯不合理也影響CNC系統(tǒng)的可靠性。機(jī)床強(qiáng)電邏輯錯(cuò)誤或不嚴(yán)密可能造成CNC系統(tǒng)的癱瘓、損害以及CNC使用者的傷害、加工產(chǎn)品報(bào)廢等。

　　3 線圈銑削加工中心研制中的創(chuàng)新點(diǎn)與實(shí)際使用效果

　　1) 東方電機(jī)股份有限公司研制的線圈銑削加工中心，首次將線圈加工的銑孔、倒角、去毛刺等工序綜合在銅排的一次裝夾后進(jìn)行，保證了線圈的加工精度和加工效率。

　　2) 在該加工中心的控制系統(tǒng)中采用了大量的可靠性保證措施，使該加工中心性能穩(wěn)定，充分滿足了線圈加工需要。

　　3) 在對(duì)該加工中心的可靠性評(píng)價(jià)中，采取常規(guī)MTBF統(tǒng)計(jì)和模糊評(píng)判的方法進(jìn)行，提高了可靠性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度。

　　4) 由于線圈加工中心良好的投資收益比，東方電機(jī)股份有限公司已先后制造了三臺(tái)該型設(shè)備并投入使用。