數(shù)控機(jī)床教學(xué)化設(shè)備改造與研究

隨著數(shù)控機(jī)床的擁有量逐年增加，對(duì)數(shù)控機(jī)床維護(hù)維修技能人才，尤其是數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)及電氣方面維護(hù)維修技能人才的需求旺盛。但是這類人才的培養(yǎng)需要大量實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，要理論結(jié)合實(shí)際，僅僅靠使用市場上銷售的模擬數(shù)控機(jī)床電氣實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)臺(tái)很難滿足人才培養(yǎng)的要求；直接對(duì)現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行電氣系統(tǒng)拆裝、調(diào)試存在很大風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)影響設(shè)備的正常使用，所以對(duì)現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床設(shè)備進(jìn)行教學(xué)化改造具有十分重要的意義。

一、教學(xué)化數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀

在國內(nèi)比較成熟的企業(yè)有很多，生產(chǎn)出了種類繁多、功能強(qiáng)大的教學(xué)設(shè)備，但是大多數(shù)比較“秀氣”，由于不進(jìn)行實(shí)際加工，元器件選型的時(shí)候一般功率、電流、電壓等技術(shù)參數(shù)都比較小，尺寸也比較小，“小型”化特別多，學(xué)生在拆裝等訓(xùn)練時(shí)，不規(guī)范現(xiàn)象比較多，很容易損壞元器件，一臺(tái)教學(xué)用設(shè)備經(jīng)過幾輪的拆裝實(shí)訓(xùn)，很快就報(bào)廢了。我校購買某公司數(shù)控銑床試驗(yàn)臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生機(jī)電聯(lián)調(diào)的能力，進(jìn)過幾個(gè)來回的拆裝調(diào)試，全部設(shè)備無法進(jìn)行正常聯(lián)調(diào)，很多元器件、機(jī)床部件損壞。

二、數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)教學(xué)化改造可行性

數(shù)控機(jī)床屬于電子類產(chǎn)品，隨著時(shí)間的推移，電子元器件的穩(wěn)定性就得不到保證，影響數(shù)控機(jī)床正常運(yùn)行。傳統(tǒng)的師傅帶徒弟模式已經(jīng)滿足不了高速發(fā)展中的制造業(yè)對(duì)維護(hù)維修人員的需求，要培訓(xùn)出符合行業(yè)企業(yè)需求的維修維護(hù)人員必須擁有大量的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，必須工學(xué)結(jié)合、理實(shí)一體化培養(yǎng)。市場上用于數(shù)控機(jī)床維護(hù)維修的實(shí)驗(yàn)臺(tái)有很多，多都不是專門的維修實(shí)驗(yàn)臺(tái)，只是簡單的模擬數(shù)控運(yùn)動(dòng)、電器元件線路的連接，很多機(jī)械結(jié)構(gòu)只是教學(xué)模型，與工業(yè)用數(shù)控機(jī)床相差甚遠(yuǎn)，尤其是數(shù)控系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)部分差別更大，而且價(jià)格普遍較貴。

近些年職業(yè)院校都新增大量的數(shù)控機(jī)床，有很多淘汰的舊數(shù)控機(jī)床，一般機(jī)械部分完好，系統(tǒng)、電氣部分由于沒有得到及時(shí)的保養(yǎng)、升級(jí)等，成為了“淘汰”品，躺在墻角睡覺，如果通過適當(dāng)?shù)母脑?，變成培養(yǎng)數(shù)控機(jī)床維護(hù)維修人才的平臺(tái)，將是一件十分有意義的事情；新購置的數(shù)控機(jī)床直接用于數(shù)控機(jī)床維護(hù)維修人才培養(yǎng)，進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)修改、PMC修改，電氣部分的拆裝，將存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，如果防范不到位可能又將變?yōu)椤疤蕴逼罚テ鋺?yīng)用價(jià)值，如果能夠復(fù)制出數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)，也就是我們所說的數(shù)控機(jī)床的控制柜，就可以根據(jù)教學(xué)需要“隨便”拆裝了，甚至可以重新布置該數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)。

三、數(shù)控機(jī)床床電氣控制系統(tǒng)教學(xué)化改造設(shè)計(jì)步驟

以FANUC 0i mate TD數(shù)控車床為突破口，根據(jù)實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、安全的思路，分析數(shù)控機(jī)床的組成，主要有數(shù)控系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、機(jī)床本體等組成。

第一步要做的就是把機(jī)床本體與數(shù)控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)分開，做成兩個(gè)完整的體系，數(shù)控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)做成一個(gè)模塊，機(jī)床本體做成一個(gè)模塊，兩者之間通過即插即用接口連接，模塊一稱為主控制柜，模塊二稱為主機(jī)，如圖1所示。

圖1 數(shù)控機(jī)床主控制柜與主機(jī)

目前數(shù)控系統(tǒng)部件已經(jīng)模塊化，數(shù)控機(jī)床主板、I/O板、主軸伺服單元、進(jìn)給伺服單元都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)模塊化，在使用過程中直接通過快換接口拔插即可實(shí)現(xiàn)連接，在維護(hù)維修中如果某一元器件損壞，一般采用整體更換，這就要求技術(shù)人員能夠進(jìn)行檢測；電氣回路部分是維護(hù)維修的重點(diǎn)，尤其對(duì)于初學(xué)者更是一個(gè)難點(diǎn)。第二步要做的就復(fù)制“電氣回路”，組成模塊三，也就是副控制柜，與主控柜兩者之間通過即插即用接口連接，如圖2所示。

圖2 數(shù)控機(jī)床主控制柜與副控制柜

改造后的實(shí)驗(yàn)裝置包含主機(jī)、主控柜、副控制柜三個(gè)部分，為我們的學(xué)習(xí)者提供了一個(gè)專用的維修技術(shù)學(xué)習(xí)平臺(tái)，該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)基本電氣控制回路的安裝、設(shè)計(jì)與調(diào)試、數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)與PMC的維修與調(diào)試、機(jī)電聯(lián)調(diào)等數(shù)控機(jī)床維護(hù)維修項(xiàng)目的技術(shù)人員的培訓(xùn)。

同時(shí)在實(shí)際改造施工中根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況不斷改善和補(bǔ)充設(shè)計(jì)方案，注重安全防護(hù)，尤其是線路的保護(hù)裝置。為了方便學(xué)生學(xué)習(xí)，在數(shù)控系統(tǒng)的現(xiàn)在上就采用了數(shù)控車床原有的FANUC 0i mate TD數(shù)控系統(tǒng)，這一款數(shù)控系統(tǒng)價(jià)格比較合理，市場應(yīng)用比較廣泛，性價(jià)比高，配件充足，在功能方面是比較典型的一款數(shù)控系統(tǒng)。

四、具體改造方案

在原有數(shù)控車床基礎(chǔ)上研究其電氣控制原理圖，找出簡便可斷開的點(diǎn)，采用航空插頭的形式，方便通過主控制柜與機(jī)床硬件進(jìn)行連接，主要需要斷開的有X、Z軸伺服電動(dòng)機(jī)的電源線及信號(hào)線、主軸系統(tǒng)的電源及控制信號(hào)、行程開關(guān)信號(hào)、冷卻系統(tǒng)電源及控制信號(hào)、潤滑系統(tǒng)電源及控制信號(hào)等。

設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的主控制柜，購買FANUC 0i mate TD數(shù)控系統(tǒng)，復(fù)制出原有數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)，尋找斷點(diǎn)，替代現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與機(jī)床主體連接并進(jìn)行調(diào)試。

設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的副控制柜，把機(jī)床主控制柜的電氣部分再次復(fù)制，尋找斷點(diǎn)，替代現(xiàn)有的主控制柜的電氣控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)與主控制柜聯(lián)調(diào)，并且能夠進(jìn)行常用電氣回路的設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試，改造后的數(shù)控車床組成部分如圖3所示。

圖3 改造后的數(shù)控車床組成部分

具體實(shí)施方案如下：

（1）斷開機(jī)床本體，設(shè)置斷點(diǎn)。依據(jù)數(shù)控車床的電氣總裝圖、電氣互聯(lián)圖以及組成部分，把數(shù)控車床的“斷點(diǎn)”找到，把機(jī)床本體上的主軸電動(dòng)機(jī)、冷卻電機(jī)、四工位刀架裝置、潤滑裝置、照明裝置、數(shù)控車床行程控制等與機(jī)床的電氣回路分開，采用航空插頭。

（2）改造電氣系統(tǒng)，設(shè)計(jì)主控制柜。原有的配電柜結(jié)構(gòu)封閉，操作空間有限，施工困難，不便于人才培養(yǎng)或者多人學(xué)習(xí)操作，但是改造后又不能丟失原有機(jī)床的功能，要對(duì)現(xiàn)有的線路進(jìn)行改造，采用簡化、集中的原則，調(diào)整布局，設(shè)計(jì)新的主控柜，采用敞開式，便于施工操作。設(shè)計(jì)便于移動(dòng)、連接、接線施工的主柜結(jié)構(gòu)，購買數(shù)控系統(tǒng)、伺服單元、I＼O單元、變頻器（可選）、電氣元器件、變壓器、24V電源等搭建主控制柜。主控柜設(shè)計(jì)、安裝完成后就可以通過航空插頭與機(jī)床本體進(jìn)行連接、調(diào)試。

在主控制柜上開發(fā)其功能，可以實(shí)現(xiàn)普通數(shù)控車床的基本功能，同時(shí)又能夠?qū)崿F(xiàn)電器控回路的設(shè)計(jì)、安裝，能夠進(jìn)數(shù)控車床參數(shù)調(diào)整、PMC開發(fā)、故障設(shè)置及故障排查等功能。

（3）剝離控制電路，設(shè)計(jì)副控制柜。整個(gè)數(shù)控車床的控制電路對(duì)于新手來說，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、回路比較多，僅連接線路達(dá)200多根，很難一下子上手，可能會(huì)導(dǎo)致很多學(xué)生知難而退。要從基本電氣控制回路開始學(xué)習(xí)，比如點(diǎn)動(dòng)控制回路、常動(dòng)控制回路等，還要能夠?qū)崿F(xiàn)變壓回路連接，通過24V電壓控制中間繼電器，再由中間繼電器控制交流接觸器的線圈實(shí)現(xiàn)主回路的控制。就要主控制柜中的電氣控制回路分開，設(shè)計(jì)副控制柜結(jié)構(gòu)，能夠滿足移動(dòng)方便、簡單直觀、連接方便等要求，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)基本回路在副控制柜上施工、安裝、調(diào)試等。

五、預(yù)期效果

通過本次改造達(dá)到如下效果：

（1）在小的投入下開發(fā)FANUC 0i mate TD數(shù)控車床電氣系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)、PMC學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)典型數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)維修；

（2）開發(fā)數(shù)控車床電氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)化電氣控制線路的制作、安裝與調(diào)試，最好能夠進(jìn)行常見控制線路的設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試；

（3）不影響現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床正常使用的前提下，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)控機(jī)床機(jī)電聯(lián)調(diào)技能，為學(xué)生從事數(shù)控機(jī)床裝調(diào)、售后服務(wù)等崗位積累經(jīng)驗(yàn)。（作者單位為黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

基金項(xiàng)目：校級(jí)科研課題，《ZJK7532數(shù)控鉆銑床改造工藝研究》，項(xiàng)目編號(hào)：2016C2022113；校級(jí)科研課題，《活塞燃燒室臥式銑床改造》，項(xiàng)目編號(hào)：2014C2022118。