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基於 KND1000M4II 四軸聯動（dòng）控製係統的銑床數控改造技術

2016-1-26 來源：陝西工業職業技術學院作者：祝戰科嶽（yuè）雪俠

摘要:介紹了 XA7140 普通（tōng）銑床 4 軸數控化改造的方案及實施過程。首先介紹（shào）了設備改造前的狀況，說明改造的（de）必要性和可行性，然（rán）後介紹了本次改造的方案，改造中要注意的幾個主要問題。給出了改造的部分電氣原理圖，改造後的機（jī）械結構示意圖，總結（jié）了改造實施後的效果。同時還介紹了改造增加（jiā）的第四軸—立臥兩用工作台的基本應用（yòng）。

關鍵詞 K1000M4II 數控係統銑床 4 軸 4 聯動數控改（gǎi）造實施

1 普通銑床數控化改造的基（jī）本情況

XA7140 普通銑床為床身銑床，水平方向“X、Y 軸”為兩（liǎng）個（gè）直線移（yí）動的坐標軸，垂直方向“Z 軸”為主軸箱升降（jiàng）的直線移動坐（zuò）標軸。原機床共 3 個直線移動坐標軸和 1 個主軸。直線軸是普通三相交流異步（bù）電機驅動，隻進行速（sù）度控製，不（bú）進行位置控製。主（zhǔ）軸是利用變頻器驅動的（de）模擬（nǐ）主軸。為了提高加工能力、加工效率（lǜ）和加（jiā）工質量，滿足產品（鑽（zuàn）探（tàn）工具的螺旋麵加工）的加工（gōng）需（xū）求，企業要求對該機床進行改造。圖 1 是機床改造（zào）前的外形。

本次改造 3 個直線移動坐標軸（zhóu）采用交流伺服驅動方式，按照產品加（jiā）工要求，再增（zēng）加一個旋轉軸 “A軸”為第四軸，主（zhǔ）軸繼續使（shǐ）用變頻器驅動的模擬主軸方式。增加一個 CNC 主控製器。根據（jù） XA7140銑床原電氣控製部分的情況，結合改（gǎi）造的機床功能要求，電氣（qì）改（gǎi）造的思路如下：保留機床原主軸控製部分，即變頻器控製，電機（jī）及控製麵板（bǎn）等不變，選用一套四軸數控係統及伺（sì）服（fú）驅動（dòng）器控製三個進給軸和一個回轉軸。

2 數控改造的主要內容

改造主（zhǔ）要包括（kuò）的內容：選擇合適的（de）數控係統；選擇合適的伺服（fú）驅動裝（zhuāng）置；進行電氣控製裝（zhuāng）置的電氣（qì）設（shè）計及電櫃製作；進行“X、Y、Z 軸”的機械（xiè）改（gǎi）造設計，並製（zhì）作相應配件；進行機床“X、Y、Z 軸（zhóu）”機械裝調；增加機床第四軸-立臥兩用工作台；進行機床潤（rùn）滑，防護（hù），限位等（děng）輔助裝置的設計（jì）、製作與裝調；通電調試及試加（jiā）工驗收。

2.1 數控係統的選擇

根據機床的機械狀態和使（shǐ）用要求，可以選擇的數控係統有 FANUC 0i-mate MD 係統、西門子802Dsl 係統、KND1000M4 係統等，這些係統都可在技術上滿（mǎn）足（zú）使用要求。但（dàn）從使用功能、可靠性、價格等各方麵來看，各有優缺點。

本次改造選用的是 KND1000M4II 係統，相對來說，對（duì）於本次擬改造的（de）機床，該係統性（xìng）能價格比更好一些。表 1 是這幾款常用數控（kòng）係統狀況一覽表。圖 2（a）～（d）是（shì）這幾款常用的數控係統的麵（miàn）板（bǎn）。

K1000M4II 係統為北京（jīng）凱恩帝公司新一代數控鑽、銑及加工（gōng）中（zhōng）心（xīn）係統。在（zài）國（guó）產數控係統中，無論先進性、可靠性都處於領先水平。該（gāi）係統采用 32位高性能處理器，實現高速、高（gāo）精度控製，最高速度（dù） 30 m/min；8.4 英寸彩色液晶顯示器，同時控製軸數為 4 軸。

主要特點為主板采用六層線路（lù）板，表貼元件，定（dìng）製式 FPGA，整機工藝結構合理，抗幹（gàn）擾能力強（qiáng），可靠性高；開放式 PLC，提供調試軟件，滿（mǎn）足機床的二次開發要求；機床麵板有標準貼膜按鍵和按鈕鍵兩種選（xuǎn）擇，按鈕鍵機床麵板（bǎn）上有 50 個按鍵和 50個指示燈，它們的（de）功能用戶可自定義；選配遠程（chéng） I/O模（mó）塊可將數字接口可（kě）擴展 512/512 點；完善的自診斷功能，內部、外（wài）部狀態實（shí）時顯示，出現（xiàn）異常立即報警；高速 DNC 加工，傳輸（shū）速率達到 115200BPS；同時配有大容量程序緩存；係統內置 640K 程序空間，可通過 U 盤接口擴展程序空間，並可實現（xiàn） U 盤DNC 加工；豐富的軟件控製功能：宏程序 B、剛性攻絲、局部坐（zuò）標係、機床坐標係、坐標係旋轉、極坐標、比例（lì）縮放等（děng）。

2.2 伺服驅動裝置的（de）選擇

由於混合式步進電機驅動裝置功率及扭矩受（shòu）限，這樣規格的銑床(工作台（tái）寬度 400 mm)改造主要選擇交流（liú）伺服驅動裝置（zhì）。較（jiào）小規格的機床可選用混合式步進電機驅動裝置。

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

銑床控製電機選取的經驗數據可參（cān）見表 2。

本次改造的伺服係統選用 KND 公司生產的交流伺服驅動器及交流伺服電（diàn）機，根據同類機床類比及相關計算，X、Y 軸（zhóu）選用 KND 公司（sī） SD300-50 型伺服驅動器及 130ST-M15015A 型電機，該電機扭矩 15 N· m，功率 2.4 kW，電流 9A。 Z 軸是垂直軸，除了機床（chuáng）本身的平衡重錘外，需要有失電製動裝（zhuāng）置，電機型號為 130ST-M15015AZ，功率與（yǔ） X、Y 軸相同。第四軸-立臥兩用工作台，選（xuǎn）用的電機型號是 110ST-M06020A，功率 1.2 kW，扭矩 6 N· m，電流 5.5A，驅動器型號是 SD300-30 型。

2.3 電氣控（kòng）製部分的設計及（jí）電櫃製作（zuò）

根據（jù）機床工作要求，係統及控製伺服的要求，設計了機床電氣控製原理圖並製（zhì）作電氣控製櫃，圖3 是部分電氣原理圖。

2.4 各軸的機械改造設計（jì）

2.4 各軸的機械改造設計

如果機床原來是數（shù）控機床，機械設計的工作量會較小，隻是電機機械接口連接設計。由於（yú）本次改造的銑床（chuáng）原（yuán）來是普通銑床（chuáng），因（yīn）此，機械改造設計（jì）工作量較大。需要將原來的滑動絲杠換成滾珠絲杠，並斷開原來的傳動鏈，重新設計每個坐標方向的傳動部分。圖 5～圖 8 分別是 X 軸，Y 軸（zhóu），Z軸的部分機（jī）械結構圖（tú）。

3 機床的機電聯調

機械裝調完成後，進行電（diàn）纜連接布線，潤（rùn）滑及防護等輔助裝置的安（ān）裝。有些潤滑油路要和機械（xiè）部分同時安裝才（cái）方便。當機床的機械安裝和電氣連（lián）接完成，進行認真（zhēn）的檢查無誤（wù）後，可以進（jìn）行通電調試。

3.1 機床的通電調試

調試時先打開電源總開關，依次測量係統380V、220V、24V 等各級電（diàn）壓，逐步合（hé）上各（gè）級空開。電壓正常後打開麵板上的 “上電開關” ，數控係統進行自檢，自檢完成後，會（huì）出現一些報警，這時需要進（jìn）行數控係統相關參數設置（zhì），如伺服驅動器電平信號（hào）設定，行程設定（dìng）等，解除報警。然後進行機床功能試驗：先手動進行 X 軸、Y 軸、Z 軸、A 軸運行，運行正常後（hòu）進行（háng）各軸回零檢查。測量各軸反（fǎn）向間隙。需要特別說明的是必須進行 A 軸（回轉分度（dù）軸）尾座中（zhōng）心高調整。先在尾架上（shàng）裝上標準檢（jiǎn）驗棒，用百分表調整到兩端一致，表針不動（dòng）。鎖（suǒ）緊尾座螺釘，打兩（liǎng）個定位錐銷。銷子一（yī）般是（shì） 1：50 的錐銷，可自鎖防鬆。打好銷子後再在機床上檢查表針不動，這樣就可以保證尾架（jià）中心與 A 軸中心在（zài）一條軸線上。

3.2 測量各軸重複定位精度

百分表固（gù）定在移動部件上，表針打在固定件上，先壓表 0.5 mm 左右編程運行機床，退一定距離或角度，再進同樣的距離，反複（fù）執行，表針的偏移量之差就是該方向的重複定位精度。A 軸精度測試時，測出的值需要解（jiě）三角形，算出（chū）角度誤差。經（jīng）過（guò）測試，機床精（jīng）度符合要求，可以進（jìn）行試加工。

經過這些工作後，一（yī）台普通銑床就改為了（le）數控銑床。圖 9 是 XA7140 銑床數控改造完成後的效果圖。

圖 9 XA7140 銑床數控改造完成效果圖

機床功能正常後，進行了工件的（de）試加工工（gōng）作，本次試加工主要是鑽探工（gōng）具（jù）的螺旋麵（miàn）加工。將工件夾持在分度（dù）頭上，進行對刀操作，啟動程序（xù）進行（háng）銑（xǐ）削加工（gōng）。銑（xǐ）削時 X、Y 軸（zhóu）和 A 軸同時按程序運動，Z 軸進刀。加工完成，經（jīng）檢查加工精度滿足要求，改造工（gōng）作完成。圖 10 是機（jī）床試加工中現場圖。

4 結語

通（tōng）過本次改造，使該機床升級（jí）成了一台（tái） 4 軸 4聯動數（shù）控銑床。而且增加了許多新的功能如：主軸點動、剛性攻絲、圖形模擬、手輪驅動、DNC 等（děng），使操（cāo）作變得（dé）更加簡單、方便。改造（zào）前該設備是一台（tái）普通銑床，功能和精度都較低。本次改造後，使得該設備的功能有了較大提升，精度提高了一個數量級（jí），電氣故障率（lǜ）很低，穩定性顯著提高。

參考文獻：略

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