基于 KND1000M4II 四軸聯動控制系統的銑床數控改造技術
2016-1-26 來源：陜西工業職業技術學院 作者：祝戰科 岳雪俠
摘 要:介紹了 XA7140 普通銑床 4 軸數控化改造的方案及實施過程。首先介紹了設備改造前的狀況，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主要問題。 給出了改造的部分電氣原理圖，改造后的機械結構示意圖，總結了改造實施后的效果。同時還介紹了改造增加的第四軸—立臥兩用工作臺的基本應用。
關鍵詞 K1000M4II 數控系統 銑床 4 軸 4 聯動 數控改造 實施
1 普通銑床數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”為兩個直線移動的坐標軸，垂直方向“Z 軸”為主軸箱升降的直線移動坐標軸。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電機驅動，只進行速度控制，不進行位置控制。主軸是利用變頻器驅動的模擬主軸。為了提高加工能力、加工效率和加工質量，滿足產品（鉆探工具的螺旋面加工）的加工需求，企業要求對該機床進行改造。圖 1 是機床改造前的外形。
本次改造 3 個直線移動坐標軸采用交流伺服驅動方式，按照產品加工要求，再增加一個旋轉軸 “A軸”為第四軸，主軸繼續使用變頻器驅動的模擬主軸方式。增加一個 CNC 主控制器。根據 XA7140銑床原電氣控制部分的情況，結合改造的機床功能要求，電氣改造的思路如下：保留機床原主軸控制部分，即變頻器控制，電機及控制面板等不變，選用一套四軸數控系統及伺服驅動器控制三個進給軸和一個回轉軸。
2 數控改造的主要內容
改造主要包括的內容：選擇合適的數控系統；選擇合適的伺服驅動裝置；進行電氣控制裝置的電氣設計及電柜制作；進行“X、Y、Z 軸”的機械改造設計，并制作相應配件；進行機床“X、Y、Z 軸”機械裝調； 增加機床第四軸-立臥兩用工作臺； 進行機床潤滑，防護，限位等輔助裝置的設計、制作與裝調；通電調試及試加工驗收。
2.1 數控系統的選擇
根據機床的機械狀態和使用要求，可以選擇的數控系統有 FANUC 0i-mate MD 系統、西門子802Dsl 系統、KND1000M4 系統等，這些系統都可在技術上滿足使用要求。但從使用功能、可靠性、價格等各方面來看，各有優缺點。
本次改造選用的是 KND1000M4II 系統，相對來說，對于本次擬改造的機床，該系統性能價格比更好一些。表 1 是 這幾款常用數控系統狀況一覽表。圖 2（a）～（d）是這幾款常用的數控系統的面板。
K1000M4II 系統為北京凱恩帝公司新一代數控鉆、銑及加工中心系統。在國產數控系統中，無論先進性、可靠性都處于領先水平。該系統采用 32位高性能處理器，實現高速、高精度控制，最高速度 30 m/min；8.4 英寸彩色液晶顯示器，同時控制軸數為 4 軸。
主要特點為主板采用六層線路板，表貼元件，定制式 FPGA，整機工藝結構合理，抗干擾能力強，可靠性高；開放式 PLC，提供調試軟件，滿足機床的二次開發要求；機床面板有標準貼膜按鍵和按鈕鍵兩種選擇，按鈕鍵機床面板上有 50 個按鍵和 50個指示燈，它們的功能用戶可自定義；選配遠程 I/O模塊可將數字接口可擴展 512/512 點；完善的自診斷功能，內部、外部狀態實時顯示，出現異常立即報警；高速 DNC 加工，傳輸速率達到 115200BPS；同時配有大容量程序緩存；系統內置 640K 程序空間，可通過 U 盤接口擴展程序空間，并可實現 U 盤DNC 加工；豐富的軟件控制功能：宏程序 B、剛性攻絲、局部坐標系、機床坐標系、坐標系旋轉、極坐標、比例縮放等。
2.2 伺服驅動裝置的選擇
由于混合式步進電機驅動裝置功率及扭矩受限，這樣規格的銑床(工作臺寬度 400 mm)改造主要選擇交流伺服驅動裝置。較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候，主要考慮電機的功率、扭矩、轉子慣量等與機床的匹配問題。
銑床控制電機選取的經驗數據可參見表 2。
本次改造的伺服系統選用 KND 公司生產的交流伺服驅動器及交流伺服電機，根據同類機床類比及相關計算，X、Y 軸選用 KND 公司 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，除了機床本身的平衡重錘外，需要有失電制動裝置，電機型號為 130ST-M15015AZ，功率與 X、Y 軸相同。第四軸-立臥兩用工作臺，選用的電機型號是 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 電氣控制部分的設計及電柜制作
根據機床工作要求，系統及控制伺服的要求，設計了機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。
2.4 各軸的機械改造設計
2.4 各軸的機械改造設計
如果機床原來是數控機床，機械設計的工作量會較小，只是電機機械接口連接設計。由于本次改造的銑床原來是普通銑床，因此，機械改造設計工作量較大。需要將原來的滑動絲杠換成滾珠絲杠，并斷開原來的傳動鏈，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，Z軸的部分機械結構圖。
3 機床的機電聯調
機械裝調完成后，進行電纜連接布線，潤滑及防護等輔助裝置的安裝。有些潤滑油路要和機械部分同時安裝才方便。當機床的機械安裝和電氣連接完成，進行認真的檢查無誤后， 可以進行通電調試。
3.1 機床的通電調試
調試時先打開電源總開關，依次測量系統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” ，數控系統進行自檢，自檢完成后，會出現一些報警，這時需要進行數控系統相關參數設置，如伺服驅動器電平信號設定，行程設定等，解除報警。然后進行機床功能試驗：先手動進行 X 軸、Y 軸、Z 軸、A 軸運行，運行正常后進行各軸回零檢查。 測量各軸反向間隙。需要特別說明的是必須進行 A 軸（回轉分度軸）尾座中心高調整。先在尾架上裝上標準檢驗棒，用百分表調整到兩端一致，表針不動。鎖緊尾座螺釘，打兩個定位錐銷。銷子一般是 1：50 的錐銷，可自鎖防松。打好銷子后再在機床上檢查表針不動，這樣就可以保證尾架中心與 A 軸中心在一條軸線上。
3.2 測量各軸重復定位精度
百分表固定在移動部件上，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，反復執行，表針的偏移量之差就是該方向的重復定位精度。A 軸精度測試時，測出的值需要解三角形，算出角度誤差。 經過測試，機床精度符合要求，可以進行試加工。
經過這些工作后，一臺普通銑床就改為了數控銑床。圖 9 是 XA7140 銑床數控改造完成后的效果圖。
圖 9 XA7140 銑床數控改造完成效果圖
機床功能正常后，進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，進行對刀操作，啟動程序進行銑削加工。銑削時 X、Y 軸和 A 軸同時按程序運動，Z 軸進刀。加工完成，經檢查加工精度滿足要求，改造工作完成。圖 10 是機床試加工中現場圖。
4 結語
通過本次改造，使該機床升級成了一臺 4 軸 4聯動數控銑床。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，使操作變得更加簡單、方便。改造前該設備是一臺普通銑床，功能和精度都較低。本次改造后，使得該設備的功能有了較大提升，精度提高了一個數量級，電氣故障率很低，穩定性顯著提高。
參考文獻：略
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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