基于KND1000M4II四軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的銑床數(shù)控改造技術(shù)

祝戰(zhàn)科 岳雪俠

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基于KND1000M4II四軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的銑床數(shù)控改造技術(shù)

祝戰(zhàn)科1岳雪俠2

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西咸陽 712000；2.咸陽非金屬礦研究設(shè)計(jì)院有限公司 陜西咸陽 712021）

介紹了XA7140普通銑床4軸數(shù)控化改造的方案及實(shí)施過程。首先介紹了設(shè)備改造前的狀況，說明改造的必要性和可行性，然后介紹了本次改造的方案，改造中要注意的幾個(gè)主要問題。給出了改造的部分電氣原理圖，改造后的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，總結(jié)了改造實(shí)施后的效果。同時(shí)還介紹了改造增加的第四軸—立臥兩用工作臺(tái)的基本應(yīng)用。

K1000M4II數(shù)控系統(tǒng) 銑床 4軸4聯(lián)動(dòng) 數(shù)控改造 實(shí)施

1 普通銑床數(shù)控化改造的基本情況

XA7140普通銑床為床身銑床，水平方向“X、Y軸”為兩個(gè)直線移動(dòng)的坐標(biāo)軸，垂直方向“Z軸”為主軸箱升降的直線移動(dòng)坐標(biāo)軸。原機(jī)床共3個(gè)直線移動(dòng)坐標(biāo)軸和1個(gè)主軸。直線軸是普通三相交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只進(jìn)行速度控制，不進(jìn)行位置控制。主軸是利用變頻器驅(qū)動(dòng)的模擬主軸。為了提高加工能力、加工效率和加工質(zhì)量，滿足產(chǎn)品（鉆探工具的螺旋面加工）的加工需求，企業(yè)要求對該機(jī)床進(jìn)行改造。圖1是機(jī)床改造前的外形。

本次改造3個(gè)直線移動(dòng)坐標(biāo)軸采用交流伺服驅(qū)動(dòng)方式，按照產(chǎn)品加工要求，再增加一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸“A軸”為第四軸，主軸繼續(xù)使用變頻器驅(qū)動(dòng)的模擬主軸方式。增加一個(gè)CNC主控制器。根據(jù)XA7140銑床原電氣控制部分的情況，結(jié)合改造的機(jī)床功能要求，電氣改造的思路如下：保留機(jī)床原主軸控制部分，即變頻器控制，電機(jī)及控制面板等不變，選用一套四軸數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅(qū)動(dòng)器控制三個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)回轉(zhuǎn)軸。

2 數(shù)控改造的主要內(nèi)容

改造主要包括的內(nèi)容：選擇合適的數(shù)控系統(tǒng)；選擇合適的伺服驅(qū)動(dòng)裝置；進(jìn)行電氣控制裝置的電氣設(shè)計(jì)及電柜制作；進(jìn)行“X、Y、Z軸”的機(jī)械改造設(shè)計(jì)，并制作相應(yīng)配件；進(jìn)行機(jī)床“X、Y、Z軸”機(jī)械裝調(diào)；增加機(jī)床第四軸-立臥兩用工作臺(tái)；進(jìn)行機(jī)床潤滑，防護(hù)，限位等輔助裝置的設(shè)計(jì)、制作與裝調(diào)；通電調(diào)試及試加工驗(yàn)收。

圖1 改造前的XA7140床身銑床

2.1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇

根據(jù)機(jī)床的機(jī)械狀態(tài)和使用要求，可以選擇的數(shù)控系統(tǒng)有FANUC 0i-mate MD系統(tǒng)、西門子802Dsl系統(tǒng)、KND1000M4系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)都可在技術(shù)上滿足使用要求。但從使用功能、可靠性、價(jià)格等各方面來看，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

本次改造選用的是KND1000M4II系統(tǒng)，相對來說，對于本次擬改造的機(jī)床，該系統(tǒng)性能價(jià)格比更好一些。表1 是這幾款常用數(shù)控系統(tǒng)狀況一覽表。圖2（a）～（d）是這幾款常用的數(shù)控系統(tǒng)的面板。

表1 常用數(shù)控系統(tǒng)一覽表

（a）西門子802Dsl系統(tǒng)

（b） KND1000M4Ⅱ

（c） FANIC oi-Mate MD

（d） CSK980MDa

圖2 常用的幾款數(shù)控系統(tǒng)面板

K1000M4II系統(tǒng)為北京凱恩帝公司新一代數(shù)控鉆、銑及加工中心系統(tǒng)。在國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)中，無論先進(jìn)性、可靠性都處于領(lǐng)先水平。該系統(tǒng)采用32位高性能處理器，實(shí)現(xiàn)高速、高精度控制，最高速度30 m/min；8.4英寸彩色液晶顯示器，同時(shí)控制軸數(shù)為4軸。

主要特點(diǎn)為主板采用六層線路板，表貼元件，定制式FPGA，整機(jī)工藝結(jié)構(gòu)合理，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高；開放式PLC，提供調(diào)試軟件，滿足機(jī)床的二次開發(fā)要求；機(jī)床面板有標(biāo)準(zhǔn)貼膜按鍵和按鈕鍵兩種選擇，按鈕鍵機(jī)床面板上有50個(gè)按鍵和50個(gè)指示燈，它們的功能用戶可自定義；選配遠(yuǎn)程I/O模塊可將數(shù)字接口可擴(kuò)展512/512點(diǎn)；完善的自診斷功能，內(nèi)部、外部狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，出現(xiàn)異常立即報(bào)警；高速DNC加工，傳輸速率達(dá)到115200BPS；同時(shí)配有大容量程序緩存；系統(tǒng)內(nèi)置640K程序空間，可通過U盤接口擴(kuò)展程序空間，并可實(shí)現(xiàn)U盤DNC加工；豐富的軟件控制功能：宏程序B、剛性攻絲、局部坐標(biāo)系、機(jī)床坐標(biāo)系、坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)、極坐標(biāo)、比例縮放等。

2.2 伺服驅(qū)動(dòng)裝置的選擇

由于混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置功率及扭矩受限，這樣規(guī)格的銑床(工作臺(tái)寬度400 mm)改造主要選擇交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置。較小規(guī)格的機(jī)床可選用混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。

在選擇伺服裝置的時(shí)候，主要考慮電機(jī)的功率、扭矩、轉(zhuǎn)子慣量等與機(jī)床的匹配問題。

銑床控制電機(jī)選取的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可參見表2。

表2 銑床改造伺服電機(jī)規(guī)格

本次改造的伺服系統(tǒng)選用KND公司生產(chǎn)的交流伺服驅(qū)動(dòng)器及交流伺服電機(jī)，根據(jù)同類機(jī)床類比及相關(guān)計(jì)算，X、Y軸選用KND公司SD300-50型伺服驅(qū)動(dòng)器及130ST-M15015A型電機(jī)，該電機(jī)扭矩15 N?m，功率2.4 kW，電流9A。 Z軸是垂直軸，除了機(jī)床本身的平衡重錘外，需要有失電制動(dòng)裝置，電機(jī)型號為130ST-M15015AZ，功率與X、Y軸相同。第四軸-立臥兩用工作臺(tái)，選用的電機(jī)型號是110ST-M06020A，功率1.2 kW，扭矩6 N?m，電流5.5A，驅(qū)動(dòng)器型號是SD300-30型。

2.3 電氣控制部分的設(shè)計(jì)及電柜制作

根據(jù)機(jī)床工作要求，系統(tǒng)及控制伺服的要求，設(shè)計(jì)了機(jī)床電氣控制原理圖并制作電氣控制柜，圖3是部分電氣原理圖。

圖3 電氣原理圖之一

2.4 各軸的機(jī)械改造設(shè)計(jì)

如果機(jī)床原來是數(shù)控機(jī)床，機(jī)械設(shè)計(jì)的工作量會(huì)較小，只是電機(jī)機(jī)械接口連接設(shè)計(jì)。由于本次改造的銑床原來是普通銑床，因此，機(jī)械改造設(shè)計(jì)工作量較大。需要將原來的滑動(dòng)絲杠換成滾珠絲杠，并斷開原來的傳動(dòng)鏈，重新設(shè)計(jì)每個(gè)坐標(biāo)方向的傳動(dòng)部分。圖5～圖8分別是X軸，Y軸，Z軸的部分機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。

圖5 X軸右端的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 Y軸側(cè)視的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 Y軸正面的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 Z軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

3 機(jī)床的機(jī)電聯(lián)調(diào)

機(jī)械裝調(diào)完成后，進(jìn)行電纜連接布線，潤滑及防護(hù)等輔助裝置的安裝。有些潤滑油路要和機(jī)械部分同時(shí)安裝才方便。當(dāng)機(jī)床的機(jī)械安裝和電氣連接完成，進(jìn)行認(rèn)真的檢查無誤后，可以進(jìn)行通電調(diào)試。

3.1 機(jī)床的通電調(diào)試

調(diào)試時(shí)先打開電源總開關(guān)，依次測量系統(tǒng)380V、220V、24V等各級電壓，逐步合上各級空開。電壓正常后打開面板上的“上電開關(guān)”，數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自檢完成后，會(huì)出現(xiàn)一些報(bào)警，這時(shí)需要進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置，如伺服驅(qū)動(dòng)器電平信號設(shè)定，行程設(shè)定等，解除報(bào)警。然后進(jìn)行機(jī)床功能試驗(yàn)：先手動(dòng)進(jìn)行X軸、Y軸、Z軸、A軸運(yùn)行，運(yùn)行正常后進(jìn)行各軸回零檢查。測量各軸反向間隙。需要特別說明的是必須進(jìn)行A軸（回轉(zhuǎn)分度軸）尾座中心高調(diào)整。先在尾架上裝上標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)棒，用百分表調(diào)整到兩端一致，表針不動(dòng)。鎖緊尾座螺釘，打兩個(gè)定位錐銷。銷子一般是1：50的錐銷，可自鎖防松。打好銷子后再在機(jī)床上檢查表針不動(dòng)，這樣就可以保證尾架中心與A軸中心在一條軸線上。

3.2 測量各軸重復(fù)定位精度

百分表固定在移動(dòng)部件上，表針打在固定件上，先壓表0.5 mm左右編程運(yùn)行機(jī)床，退一定距離或角度，再進(jìn)同樣的距離，反復(fù)執(zhí)行，表針的偏移量之差就是該方向的重復(fù)定位精度。A軸精度測試時(shí)，測出的值需要解三角形，算出角度誤差。經(jīng)過測試，機(jī)床精度符合要求，可以進(jìn)行試加工。

經(jīng)過這些工作后，一臺(tái)普通銑床就改為了數(shù)控銑床。圖9是XA7140銑床數(shù)控改造完成后的效果圖。

圖9 XA7140銑床數(shù)控改造完成效果圖

機(jī)床功能正常后，進(jìn)行了工件的試加工工作，本次試加工主要是鉆探工具的螺旋面加工。將工件夾持在分度頭上，進(jìn)行對刀操作，啟動(dòng)程序進(jìn)行銑削加工。銑削時(shí)X、Y軸和A軸同時(shí)按程序運(yùn)動(dòng)，Z軸進(jìn)刀。加工完成，經(jīng)檢查加工精度滿足要求，改造工作完成。圖10是機(jī)床試加工中現(xiàn)場圖。

圖10 機(jī)床試加工中現(xiàn)場

4 結(jié)語

通過本次改造，使該機(jī)床升級成了一臺(tái)4軸4聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床。而且增加了許多新的功能如：主軸點(diǎn)動(dòng)、剛性攻絲、圖形模擬、手輪驅(qū)動(dòng)、DNC等，使操作變得更加簡單、方便。改造前該設(shè)備是一臺(tái)普通銑床，功能和精度都較低。本次改造后，使得該設(shè)備的功能有了較大提升，精度提高了一個(gè)數(shù)量級，電氣故障率很低，穩(wěn)定性顯著提高。

[1] 祝戰(zhàn)科.俄制2в622Ф1型數(shù)控鏜床的改造報(bào)告[J].陜西工學(xué)院學(xué)報(bào),2003(03):10-12.

[2] 楊超.840D五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的改造[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化技術(shù),2010(12):101-103.