数控机床改造技术主轴设计与制造方案

（1）主机部分

1）机床垂直于主铣头（铣槽部分）。本机床的大盘铣刀立铣装置的主轴结构为滚动轴承主轴，主轴电动机采用西门子PM340变频器驱动，实现了无级调速。因加工和技术设计要求，通过齿轮多级减速，满足主轴的重载荷切削，满足用户加工需求。通过主轴润滑系统满足主轴高速旋转。主轴电动机1PH7288-2QBO5-OBC3130kW233A；主轴减速装置齿轮减速箱Ⅰ档位减速比为2∶57；立铣装置的主轴润滑电动机为主轴提供润滑油；主轴刀盘安装器独立控制，方便用户拆卸刀盘。

大盘铣刀立铣装置的主轴转速范围：0～90r/min。

限制主轴旋转条件：立铣装置的主轴使能未打开，机床急停开关异常，立铣装置的主轴风机空开跳闸，托架未处于夹紧状态，分度中心架静压处于启动状态，立铣装置的主轴润滑电动机空开跳闸，立铣装置的主轴处于松开刀具状态。为防止主轴零点漂移，仅当加运转指令时，才加主轴使能，电动机上电。

重新设计制造主轴箱和立柱，主传动采用西门子交流主轴电动机驱动，无级变速。传动部件采用高精度齿轮机构，输出端采用V形油封，以保证密封质量。

垂直主铣头沿床身移动（X₁轴）导轨采用静压导轨，静压采用进口多头油泵，一油压腔一油泵恒流静压，以减小导轨副的摩擦阻尼，消除机床爬行问题。传动采用双齿轮与齿条传动，采用硬齿面齿条，以提高传动精度；驱动采用交流伺服电动机；采用光栅尺进行全闭环控制。垂直主铣头横向移动（W₁轴）导轨采用静压导轨，传动采用双螺母预紧滚珠丝杠副传动，驱动采用交流伺服电动机；采用光栅尺进行全闭环控制。上下滑座导轨处设置有液压自动夹紧装置，在进行下线槽加工时自动夹紧。垂直主铣头垂直移动调整（Y₁轴）采用交流伺服电动机驱动，通过蜗轮蜗杆→双螺母预紧滚珠丝杠副传动，采用光栅尺进行全闭环控制。

2）水平铣头（铣床部分）。本机床的卧式铣削主轴结构为滚动轴承主轴。主轴电动机采用西门子611D交流伺服调速。通过进口变速档位装置实现主轴的高低档切换，满足加工需求。通过主轴润滑系统满足主轴高速旋转。主轴电动机1PH7186-2ND03-OJC2308N·m51kW250A；主轴换档装置ZF减速箱Ⅰ档位减速比为10∶92，Ⅱ档位减速比为10∶23；主轴润滑装置卧式铣削前置泵为主轴提供润滑油；主轴润滑冷却装置电动机功率为1.05kW，电流为3.4A。

限制主轴旋转条件：卧式铣削前置泵未启动，卧式铣削前置泵压力未到位，卧式铣削主轴档位未到位，卧式铣削主轴使能未打开，卧式铣削附件处于放松状态，卧式铣削主轴处于松开刀具状态，卧式铣削主轴拉刀到位开关信号未到位，附件月牙槽铣头润滑泵空开跳闸，托架未处于夹紧状态，分度中心架静压处于启动状态。

水平铣头类似于一台卧式铣镗床，具有纵向、横向、垂直移动功能和镗杆伸缩进给功能。具有独立的主轴箱、立柱、上下滑座及传动系统。水平铣头主传动采用西门子交流主轴电动机配2级（i=1∶4）行星减速器，提高了传动效率，使用可靠。

ϕ160mm镗铣装置沿床身移动（X₂轴）导轨为静压导轨，静压采用进口多头油泵，一油压腔一油泵恒流静压，以减小导轨副的摩擦阻尼，消除机床爬行问题。横向移动（W₂轴）导轨为静压导轨，采用双螺母预紧滚珠丝杠副传动，由交流伺服电动机驱动；采用光栅尺进行全闭环控制。水平铣头垂直移动（Y₂轴）采用减速箱→双螺母预紧滚珠丝杠副传动，由交流伺服电动机驱动，采用光栅尺进行全闭环控制。镗轴可单独伸出，其移动（Z轴）由交流伺服电动机驱动，通过减速箱→双螺母预紧滚珠丝杠副传动，半闭环控制。

水平铣头主轴采用进口自动拉刀机构，碟形弹簧拉紧，液压松开，性能可靠。

水平铣头端部设置附件接口，可安装三轴铣头、月牙槽铣头和角铣头等附件，其附件头安装尺寸相同。滑枕前端面四角处均装有进口拉紧附件装置，以实现附件自动抓取，从而提高生产效率。

3）分度头（转子分度部分）。分度装置由A轴分度头交流伺服双电动机、分度支承头架轨道移动电动机、分度支承架动作油泵、定时润滑泵、循环系统和冷却系统组成，保证机床的精度起到非常重要的作用。

分度头交流伺服双电动机驱动，通过齿轮→精密行星减速器→小齿轮→齿圈传动，带动花盘旋转分度。主轴轴承采用四点接触球轴承。工件夹紧采用4个均匀分布的增力卡爪。

分度装置采用德国HEIDENHAIN36000线/转（～1Vp-p型）双圆光栅全闭环控制，其中一个圆光栅通过弹性联轴器及连接套与花盘固定，另一个圆光栅通过弹性联轴器和轴、盘与工件固定连接，使工件的实际分度数值得到反馈、比较。一定要注意，显示A₂轴在理想情况下应跟随A₁轴的一举一动，位置值应该是一致的，但是实际应用上肯定会不同。发现A₁轴和A₂轴差值超过0.01°时，检查主副编码器和工件的连接是否牢靠，每次分完一个角度最好对比A₁和A₂轴位置值是否相差一个固定值。

分度装置控制方式如下：

手动操作：卧铣装置操作箱/立铣装置操作箱的手动操作分度装置。

自动操作：卧铣装置操作箱/立铣装置操作箱的自动操作分度装置。

立/卧铣削分度轴通道转换：

$MA_MS_COUPLING_ALWAYS_ACTIVE[AM1MD]=0

NEWCONF

G4F2

N5G0

GETD（A1，A_2，AMD）

MSG（“A1，A_2，AMDare in local channel？”）

M0

MSG（）

$MA_MS_COUPLING_ALWAYS_ACTIVE[AM1MD]=1

NEWCONF

G4F2

M30

自动操作程序有：

放松程序带托架：DR2000_UNCLAMP.SPF。

夹紧程序带托架：DR2000_CLAMP.SPF。

放松程序不带托架：DR2000_UNCLAMP1.SPF。

夹紧程序不带托架：DR2000_CLAMP1.SPF。

分度轴通道转换程序：ACHAN.SPF。

分度轴回零程序：DR2000_REFPOINT.SPF。

分度轴自校正精度检测程序：CALCOLI_A1_A2.SPF。

带托架分度自动分度自动校正精度检测程序：DR2000_INDEX.SPF。

不带托架分度自动分度自动校正精度检测程序：DR2000_INDEX1.SPF。

带托架自动夹紧/放松分度程序：POSITION_A1.MPF。

不带托架自动夹紧/放松分度程序：POSITION_A12.MPF。

拆卸轴程序：DR2000_UNCLAMP2.SPF。

执行自动程序：

带托架自动夹紧/放松分度程序：POSITION_A1.MPF。

不带托架自动夹紧/放松分度程序：POSITION_A12.MPF。

程序实例：分度装置放松DR2000_UNCLAMP.SPF。

；放松

M33M52 ；1#/2#润滑启动

G4F3

MSG（“1#/2#静压支承架轴润滑已启动？”）

M36M55 ；1#/2#静压支承架轴带放松

G4F3

MSG（“1#/2#静压支承架轴带已放松？”）

M62 ；托架液压启动

G4F3

MSG（“托架液压已启动？”）

M61M71M81

G4F30

N5IF（$A_IN[22]==1）AND（$A_IN[29]==1）AND（$A_IN[36]==1）

GOTOFSS1

ELSE

M0

GOTOFENDE

；ENDIF

SS1：MSG（“托架侧顶铁块退出”）

M67M77M87

G4F30

MSG（“1#2#3#托架斜铁已退出？”）

IF（$A_IN[20]==1）AND（$A_IN[27]==1）AND（$A_IN[34]==1）

GOTOFSS2

ELSE

M0

GOTOFENDE

；ENDIF

SS2：MSG（“1#/2#/3#托架斜铁出”）

G4F3

MSG（“1#/2#/3#托架侧顶铁块已退回，且斜铁已退出？”）

IF（$A_IN[20]==1）AND（$A_IN[22]==1）AND（$A_IN[27]==1）AND（$A_IN[29]==1）AND（$A_IN[34]==1）AND（$A_IN[36]==1）

GOTOFSS3

ELSE

M0

M63

GOTOFENDE

；ENDIF

SS3：MSG（“1#/2#/3#托架侧顶铁块已退回，且斜铁已退出”）

M65M75M85 ；1#/2#/3#托架下降

G4F3

MSG（“1#/2#/3#托架主支承已下降？”）

G4F6

M63 ；托架液压停止(www.xing528.com)

M31M50 ；1#/2#静压启动

G4F10

IF（$A_IN[11]==1）AND（$A_IN[12]==1）AND（$A_IN[13]==1）AND（$A_IN[14]==1）AND（$A_IN[15]==1）AND（$A_IN[16]==1）AND（$A_IN[17]==1）AND（$A_IN[18]==1）

GOTOFSS4

ELSE

M0

GOTOFENDE

SS4：MSG（“静压启动完成”）

M34M53 ；1#/2#润滑停止

G4F3

MSG（“托架液压已停止，1#/2#静压支架静压已启动，润滑已停止？”）

ENDE：M17

注意：托架未处于放松状态，分度轴处于轴禁止状态，系统会显示相应的故障报警和缺少轴使能。中心架静压压力未到位，分度轴也处于轴禁止状态，系统会显示相应的故障报警和缺少轴使能。执行无托架操作时，请打开MCP按钮“无托架操作”，以免因托架未夹紧，操作机床出现轴禁止、缺少使能等报警。确认A₁、A₂、A₃在同一通道内的判断标准，查看机床坐标轴，观察A₁、A₂、A₃字符是否呈灰色，如坐标字符呈灰色，说明A₁、A₂、A₃不在该通道内。如果A₁、A₂、A₃不在同一通道内，旋转A₁轴时，程序报警，速度被限制报警。

4）托架。

支承托架：移动，侧支承进出，主支承进出，顶升降。

托架采用恒流静压供油方式，三油腔小半油瓦结构，具有流量大、油膜刚度高、精度好、允许外载（工件）变化大等特点；工件夹紧采用轧带夹紧方式。重新设计制造阻尼支承托架，支承外侧设置有侧顶机构，以保证工件在加工时的刚性。

中心架托架：

手动操作：分度装置中心架，分度装置托架。

自动操作：分度装置中心架，分度装置托架。

自动操作程序：

放松程序带托架：DR2000_UNCLAMP.SPF。

夹紧程序带托架：DR2000_CLAMP.SPF。

放松程序不带托架：DR2000_UNCLAMP1.SPF。

夹紧程序不带托架：DR2000_CLAMP1.SPF。

（2）数控及电气控制功能 电气控制由以下几部分组成：电气控制柜（包括伺服轴驱动、主轴驱动、强电控制等）；操作站（包括立铣装置、卧式铣削操作箱、悬挂按钮站和中心架托架按钮站）；各运动轴的极限保护开关；分度操作装置；中心架托架支承装置。

SINUMERIK840D系统主要功能有：

①双通道双方式组，机床两部分可以完全独立地完成加工任务，也可以联合协调加工。

②具有螺距误差、测量系统误差补偿、反向间隙及多维挠度补偿功能；具有刀具半径、长度、磨损补偿功能；具有附件自动装卸、自动识别、自动功率与转速保护功能。

③通过PLC编程设有如下特定M代码辅助功能。

在MDI操作方式和AUTO自动操作方式时，本机床160mm卧式铣削M代码：

M07 DB22.DBX197.0 冷却1启动

M08 DB22.DBX197.0 冷却2启动

M09 DB22.DBX197.1 冷却停止

M10 DB21.DBX195.2 附件拉刀

M11 DB21.DBX195.3 附件放松

M12 DB21.DBX195.4 主轴松刀

M13 DB21.DBX195.5 主轴拉刀

M16 DB21.DBX196.0 排屑起动

M17 DB21.DBX196.1 排屑停止

M18 DB21.DBX196.2 排屑反转

M58 DB21.DBX201.2 风冷起动

M59 DB21.DBX201.3 风冷停止

立铣装置的M代码：

M20 DB22.DBX196.4 主轴拉刀

M21 DB22.DBX196.5 主轴松刀

M22 DB22.DBX196.6 阻尼卡紧

M23 DB22.DBX196.7 阻尼放松

M26 DB22.DBX197.2 排屑起动

M27 DB22.DBX197.3 排屑停止

M28 DB22.DBX197.4 排屑反转

1#/2#静压中心架M代码：

M31/M51 DB22.DBX197.7 静压起动

M32/M52 DB22.DBX198.0 静压停止

M33/M53 DB22.DBX198.1 润滑起动

M34/M54 DB22.DBX198.2 润滑停止

M35/M55 DB22.DBX198.3 工件夹紧

M36/M56 DB22.DBX198.4 工件放松

M37/M57 DB22.DBX198.5

1#/2#/3#中心托架M代码：

M60/M70/M80 DB22.DBX201.4 托架侧顶进

M61/M70/M80 DB22.DBX201.5 托架侧顶退

M62 DB22.DBX201.6 托架液压起动

M63 DB22.DBX201.7 托架液压停止

M64/M74/M84 DB22.DBX202.0 托架支承顶升

M65/M75/M85 DB22.DBX202.1 托架支承下降

M66/M76/M86 DB22.DBX202.2 托架斜铁入

M67/M77/M87 DB22.DBX202.3 托架斜铁出

附加M代码：

M89 镗床更换附件故障

M90 镗床更换附件故障解除

（3）数控系统的配置及连接 SINUMERIK840D选用NCU573.5单元，由13个进给轴/主轴控制双通道轴的分配。

通道一：X₁、Y₁、W₁、SP₁、A₁、A₃、X₃、A₂。

通道二：X₂、Y₂、Z、W₂、SP₂、A₁、A₃、X₃、A₂。

其中，A₁、A₂、A₃、X₃轴为通道间自动切换的轴。

电气控制系统主要由840D数控系统、S7PLC、组合连体控制柜、床身电器与线缆等组成。机床选用840D作为控制核心，配置双通道双控制面板，在大盘刀和Φ160mm镗铣区分别配置有HHU手持终端，方便操作。外部逻辑控制采用分布于主控制柜内控制站及大盘铣刀立铣装置区、Φ160mm镗铣区、分度与支承区的共4个远程分布式I/O扩展站，通过Pro-fibus总线来连接控制，在大盘刀、Φ160mm镗铣和分度区分别安装有控制柜，将各自区域的控制站就地处理，简化了机床布线，方便故障维修，通过PLC编程完成电气系统逻辑控制，增设多种电气保护功能。

机床所有进给轴均选用西门子1FT6同步电动机，采用SIMODRIVE611D伺服驱动装置。两个主轴均选用西门子1PH7异步电动机，其中SP₁主轴选用西门子PM340驱动装置，工作在矢量模式。

在大盘铣刀立铣装置区和Φ160mm镗铣装置中分别设置了操作站，分别负责相应区域的加工与维护操作，操作权限可切换，其中大盘铣刀立铣装置的操作站同时具有分度区流程操作功能，另外在分度区各支承体上设置有独立的本地操作按钮站，用于工件装卡、找正与维修。

（4）电气控制系统连接

1）电柜内部连线：对照原理图，查找电气控制柜线路有无接错的地方，特别是高压电与低压电不允许接错；并按照图样要求调整空气开关的电流设定。对于系统部分，同样对照原理图检查线路问题，需注意电动机的相序是否正确，各系统的电动机反馈线和闭环反馈线是否连接正确，600V的直流母线排必须固定好并盖好防护盖，同时其他排线也要连接良好。

2）电气控制柜外部连线：对照原理图，检查线路。需注意三相交流回路中（包括电气控制柜电源线）各相之间有无短路；电动机三相电阻必须相等，并且不允许对地；24V不允许直接对地；输入部分是否全部正常（限位开关是否导通）；电磁阀、离合器等输出部分的电阻是否正常；各元件的接地部分都要连接良好。

（5）数控系统调试 840D数控系统调试包括以下过程：送电前准备、HMI软件安装的首次送电、参数部分的首次送电、PLC部分的首次送电、控制功能的初次调试和安装标准循环。

1）送电前准备。送电前必须保证机床电柜内部及外部的连线正确，使得机床不会因为线路问题出现故障。

2）HMI软件安装的首次送电。对于全新的PCU单元仅安装有Windows XP系统，HMI软件并未安装，需在首次送电时进行安装。HMI软件的安装，需要根据NC卡的版本选择对应的HMI软件版本。将PCU单元的磁盘开关旋到OPERATING位置，之后对HMI通电。输入登录界面密码SUNRISE，使HMI进入Windows环境下。安装HMI完成后，需要重启，正常进入HMI操作界面。

3）参数部分的首次送电。进入到操作界面后，即可对参数进行修改，设置基础参数、轴参数，配置驱动及电动机使系统可以运行起来。

①输入口令。依次按MENU SELECT键（以下称菜单键，在屏幕右下方）和Startup启动键，设定口令（默认制造商口令为SUNRISE）。设定后，机床权限转为制造商权限，可以对参数进行操作。

②模块配置。依次按菜单键、启动键、机床数据键、设定数据，进入模块配置界面。

③模块配置界面定义：位置号，模块在电柜中的实际排列位置（如主轴紧挨NCU模块，其位置号为1），配轴的驱动模块，MSD主轴，FDD进给轴。

4）PLC部分的首次送电。根据NC卡的版本选择合适的PLC程序版本。先将系统的组态下载下来，与图样进行对照。将笔记本与840D系统连接上后，打开STEP7，建立新项目。按上方的Download软功能键将程序传输至PLC中。打开程序中的模块，根据图样进行实际修改。

5）控制功能的初次调试。以上步骤完成后，试验好三相电动机的转动方向及机械调整油压后，可以开车。开车时，注意多观察菜单、诊断、服务显示里面的选项。电气需要首先验证各轴限位、轴行程、主轴换档及滑枕低头补偿是否正常。全部正常后，可进行机械精度调整。

6）安装标准循环。首先将对应的文件释放：依次按菜单、服务、扩展键（向右的箭头），连续启动，读入调试文档、循环文档；之后先选择CYCLEMALL，按启动，再选择DEFINSE，再按启动。将对应的定义文件安装上：依次按菜单、服务、显示选项，将定义选择上，然后单击确定。按数据管理，打开定义，将其中的有装载选项的4个文件进行装载，有激活选项的文件进行激活，NCK复位。