數(shù)控機(jī)床電氣副控制柜的設(shè)計與制作

曹明順

數(shù)控機(jī)床電氣副控制柜的設(shè)計與制作

曹明順

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院, 湖北 黃岡 438002）

針對當(dāng)今制造業(yè)數(shù)控機(jī)床維護(hù)維修人才的巨大需求、人才培養(yǎng)難度大，使用市場上銷售的模擬數(shù)控機(jī)床電氣實(shí)訓(xùn)臺不能滿足維護(hù)維修類人才培養(yǎng)的要求，直接對現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行拆裝存在很大風(fēng)險等問題，通過市場調(diào)研了解到數(shù)控機(jī)床電氣部分為數(shù)控機(jī)床的核心之一，又是數(shù)控機(jī)床故障頻發(fā)的主要部件，在教學(xué)實(shí)踐中開發(fā)和設(shè)計可用于數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等電氣類設(shè)備的基本電氣回路的設(shè)計、安裝與調(diào)試學(xué)習(xí)和培訓(xùn)的數(shù)控機(jī)床電氣副控制柜，為培養(yǎng)數(shù)控機(jī)床維護(hù)維修類人才提供了平臺。

數(shù)控機(jī)床；電氣副柜；設(shè)計制作

近幾年來我國數(shù)控技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的生產(chǎn)力，從神舟十一號飛船的上天，到我國正在研制的真空高速列車，無不表明數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個國家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。隨著中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，我國擁有數(shù)控機(jī)床的數(shù)量逐年增加，由于設(shè)備自身的特點(diǎn)，后期的維護(hù)維修已經(jīng)成為企業(yè)面臨的非?！邦^痛”的問題。數(shù)控機(jī)床總體來說屬于電子產(chǎn)品，有一定的使用壽命，數(shù)控機(jī)床出問題甚至導(dǎo)致整套設(shè)備停機(jī)，因此，數(shù)控機(jī)床故障能及時排除就顯得十分必要，而維修人員的技術(shù)水平就決定了數(shù)控設(shè)備在出現(xiàn)故障時能否得到及時的維修，最大限度地發(fā)揮數(shù)控設(shè)備的利用率，使企業(yè)高效地完成生產(chǎn)，滿足客戶需求，及時為客戶提供優(yōu)良產(chǎn)品。

1 設(shè)計背景及意義

1.1 設(shè)計背景

數(shù)控機(jī)床維修人員技術(shù)技能水平的提高要經(jīng)歷長時間的積累，而且是一個反復(fù)、經(jīng)驗(yàn)不斷積累的過程，要培養(yǎng)一個技術(shù)高超、能夠及時解決問題的維修人員來滿足企業(yè)的需求也就不是一朝一夕的事，不僅僅需要提供學(xué)習(xí)和鍛煉的平臺，更需要建立維護(hù)維修人員成長的體制環(huán)境。就我國目前的情況來看主要有兩個途徑，一個是企業(yè)、社會培訓(xùn)機(jī)構(gòu)專職培訓(xùn)，另一個是高等院校職業(yè)教育，不管哪種類型的教育，都需要實(shí)際工作環(huán)境的鍛煉，才能夠培養(yǎng)出合格的人才。實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備就成為人才培養(yǎng)的瓶頸，采用工業(yè)用機(jī)床設(shè)備，價格比較高，具有很大的風(fēng)險，所以目前市場上開發(fā)了很多模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，借助模擬技術(shù)在計算機(jī)信息化平臺上用物理或數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行模擬描述，該項技術(shù)在很多工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，為社會人才培養(yǎng)發(fā)揮了不可磨滅的貢獻(xiàn)。雖然云計算、人工智能、專家系統(tǒng)等技術(shù)不斷充實(shí)和完善模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺的發(fā)展，但是畢竟屬于模擬，很多實(shí)際動手操作、實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)等能力的培養(yǎng)不能得到真正的提高。既要保證企業(yè)設(shè)備的完好率，又能通過實(shí)際操作來提高維修人員技術(shù)水平的更加逼真的“模擬數(shù)控機(jī)床電氣實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺”就成為了高技能維修人員培養(yǎng)亟待解決的問題。電氣系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床重要的組成部分，對數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定和安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用，但是長期工作和環(huán)境惡劣很容易出現(xiàn)電氣的故障，所以逼真的“模擬數(shù)控機(jī)床電氣實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺”的開發(fā)就更加重要。

1.2 設(shè)計意義

我?，F(xiàn)代制造實(shí)訓(xùn)中心擁有 CA6150、CAK6132V/750等各型數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心10余臺，承擔(dān)了機(jī)械類、機(jī)電類專業(yè)群相關(guān)的理論、實(shí)踐教學(xué)，同時還承擔(dān)了企業(yè)在崗人員崗位技能提升、培訓(xùn)、技能鑒定等工作。由于近年來對數(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日益增加，通過購買模擬數(shù)控機(jī)床電氣實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)臺不能滿足培訓(xùn)要求；直接對現(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，同時影響設(shè)備的正常使用（如圖 1為我校CAK6132V/750數(shù)控車床電氣控制柜，I/O模塊、X軸伺服單元、變頻器、部分電路已經(jīng)損壞，修理中）；學(xué)院目前各項經(jīng)費(fèi)都較為緊張，暫時無法通過增加數(shù)控機(jī)床數(shù)量來解決這個問題。經(jīng)過充分調(diào)研，決定以FANUC 0i mate TD數(shù)控車床為突破口，設(shè)計和制作副控制柜。

圖1 CAK6132V/750數(shù)控車床電氣控制柜（拆裝前后）

通過副控制柜的設(shè)計與制作達(dá)到如下效果：

（1）在小的投入下開發(fā)數(shù)控機(jī)床電氣副柜，能夠?qū)崿F(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、安裝與調(diào)試；

（2）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)。

2 設(shè)計理念

數(shù)控車床的電氣系統(tǒng)比較復(fù)雜，由很多基本功能模塊組成，每一個模塊又有自己的基本電路，每一個電路由基本元器件組成，所以副控制柜必須具有便于各種基本回路元器件的安裝、拆卸，各種常見基本回路的設(shè)計、安裝與調(diào)試的功能，才能夠滿足學(xué)習(xí)者機(jī)床電氣設(shè)計、安裝與調(diào)試的能力要求，為學(xué)習(xí)者從事數(shù)控機(jī)床裝調(diào)、售后服務(wù)、技術(shù)服務(wù)等崗位積累經(jīng)驗(yàn)。

數(shù)控機(jī)床副柜的設(shè)計理念為：實(shí)用性強(qiáng)、操作方便、維修容易。

2.1 實(shí)用性強(qiáng)

副控制柜整個結(jié)構(gòu)與主控制柜相似，底座配有四個萬向輪，帶鎖緊功能，便于搬運(yùn)、移動、施工接線。配置多功能變壓器，滿足常用電壓的需求。采用網(wǎng)孔板、卡槽結(jié)構(gòu)，便于各種元器件的安裝，滿足不同電路的安裝調(diào)試。

2.2 操作方便

副控制柜能實(shí)現(xiàn)常用元器件的即拆即裝，而且方便拆卸，方便線路連接，并且能夠方便元器件布局，合理的分配電能，方便對電路的開合操作。有較高的安全防護(hù)等級，能直觀的顯示電路的導(dǎo)通狀態(tài)（安全防護(hù)符合國家標(biāo)準(zhǔn)）。

2.3 維修容易

為方便元器件安裝、更換，整個主控柜采用框式結(jié)構(gòu)，用網(wǎng)孔板、鈑金件組合而成，配裝元器件卡槽，方便拆卸。

3 設(shè)計方案

3.1 制定方案

方案一：固定式安裝

在木板、環(huán)氧絕緣板等材料上直接電氣元器件，旁邊安裝線槽，進(jìn)行各種控制線路的連接。

當(dāng)前，醫(yī)院黨支部工作任務(wù)重，專職黨務(wù)工作者少，大多數(shù)臨床科室負(fù)責(zé)人兼職黨支部書記，醫(yī)院黨支部建設(shè)要求更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。利用“互聯(lián)網(wǎng)+黨建”模式，通過搭建“互聯(lián)網(wǎng)+黨建”平臺，將黨支部工作的具體內(nèi)容劃分到“兩學(xué)一做”、黨務(wù)公開、黨員管理、黨費(fèi)收繳、黨員民主評議等不同板塊，可實(shí)現(xiàn)黨支部的規(guī)范化管理，通過醫(yī)院黨建網(wǎng)絡(luò)門戶、支部微信群、支部QQ群等多種新媒體形式，及時發(fā)布支部的學(xué)習(xí)的內(nèi)容、活動等。這將傳統(tǒng)的支部工作模式與“互聯(lián)網(wǎng)+”相結(jié)合，加強(qiáng)黨員的教育、管理和培訓(xùn)，有利于助推黨支部工作標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。

方案二：移動式安裝

整體結(jié)構(gòu)采用臺架式，3mm厚鋼板折彎而成，黑色烤漆，美觀大方，堅固耐用；工作面采用孔寬度為5mm網(wǎng)孔板，便于各種標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)元器件的安裝；網(wǎng)孔板上裝有電氣安裝導(dǎo)軌卡槽，滿足各種標(biāo)準(zhǔn)電氣元件的快速更換；兩邊配有寬口行線槽，便于工整布線；底板配有多功能變壓器，滿足不同電壓的需求；副柜底部安裝帶鎖緊功能的萬向輪，便于移動、便于施工；進(jìn)線電源采用5線航插式，實(shí)現(xiàn)快換、接地安全。

3.2 兩種方案比較

各方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 數(shù)控機(jī)床副柜優(yōu)缺點(diǎn)比較

比較兩種設(shè)計方案，再權(quán)衡各種利弊，最終采用實(shí)用性最強(qiáng)、成本更低廉、操作更加方便、功能更全面的方案二來實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床副柜的功能。

4 副控制柜制作工藝及規(guī)程

4.1 技術(shù)要求

副控制柜主體材料應(yīng)承受一定的機(jī)械力，滿足學(xué)生不規(guī)范使用的意外情況，同時能經(jīng)受正常使用條件潮濕影響，應(yīng)該有防銹處理。當(dāng)設(shè)備標(biāo)明用于高濕度或溫差變化較大的場所時，應(yīng)在已選定防護(hù)等級的基礎(chǔ)上。

副控制柜主體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)能保證調(diào)試、運(yùn)行、操作、維修和檢查測試時的安全可靠。同時還要滿足各元件動作時所產(chǎn)生的機(jī)械振動、電磁場干擾、電弧放電等現(xiàn)象，同時不得對其他元件正常功能有所影響，以至引起電氣元器件的誤動作。

柜內(nèi)元件的布置、電路的排列（包括一次和二次），應(yīng)整齊美觀、操作方便、工藝合理和維修安全。

4.2 實(shí)施方案

在底板上配有多功能變壓器，滿足不同電壓的需求。進(jìn)線電源采用 5線航插式，實(shí)現(xiàn)快換、接地安全。

在底座下安裝有四個萬向輪，移動靈活方便，耐磨耐用，適用于不同的場合，聚氨酯抗化學(xué)品腐蝕性能比較好，耐高溫，行駛無輪印，噪音小并帶有鎖緊功能，防止接線過程的不便。它水平安裝在底座的四個端點(diǎn)方向，

具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)控機(jī)床電氣副柜結(jié)構(gòu)圖

4.3 具體尺寸

柜體部分長80cm、寬62cm、高148cm，截面形狀為倒T形，底座離地面的高度為10cm。

柜體上裝有60cm×80cm的網(wǎng)孔板，網(wǎng)孔尺寸為5mm×30mm，孔間距為5mm。網(wǎng)孔板上裝有電氣安裝導(dǎo)軌卡槽，在上面安裝元器件簡單、方便，實(shí)現(xiàn)即掛即用；兩邊配有寬口行線槽，便于工整布線。萬向輪直徑：101mm，最大載荷：200kg，底板尺寸100 mm×115 mm，總高度：144mm。安裝孔距：72 mm×84mm。

5 應(yīng)用價值

數(shù)控系統(tǒng)目前已經(jīng)模塊化，直接插入相應(yīng)接口即可完成系統(tǒng)連接，數(shù)控機(jī)床電氣控制是培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)維修能力的重點(diǎn)和難點(diǎn)，需要循序漸進(jìn)。副控制柜的結(jié)構(gòu)采用網(wǎng)孔板的結(jié)構(gòu)，方便元器件的安裝，可以實(shí)現(xiàn)基本回路的設(shè)計、安裝與調(diào)試，比如點(diǎn)動控制回路、常動控制回路、正反轉(zhuǎn)控制回路、星三角形降壓啟動等常用回路。該作品結(jié)構(gòu)簡單、拆卸方便、移動方便、安全可靠，特別適用于教學(xué)方面。在以往的數(shù)控系統(tǒng)教學(xué)過程中，是對著數(shù)控系統(tǒng)線路的理論知識作為指導(dǎo)，面對這樣枯燥的理論知識，缺乏動手鍛煉的實(shí)踐操作。本款作品正好解決了這一難題，實(shí)現(xiàn)了“每一根線一一灌輸”的理念。由于結(jié)構(gòu)簡單，在很多方面可以應(yīng)用，還可批量生產(chǎn)。

5.1 課堂教育教學(xué)

一學(xué)期以來，數(shù)控技術(shù)專業(yè)、機(jī)電設(shè)備維修與管理、工業(yè)機(jī)器人等專業(yè)已經(jīng)利用主控柜、副控制柜開展了《數(shù)控機(jī)床電氣控制》、《機(jī)器人電氣控制技術(shù)》等課程的教學(xué)，前后共完成 500多人次的訓(xùn)練，培養(yǎng)了學(xué)生的電氣控制方面的能力，掌握了數(shù)控機(jī)床電氣控制基本回路的原理，學(xué)生操作技能、職業(yè)素養(yǎng)的養(yǎng)成得到了有效解決。

5.2 學(xué)生技能培養(yǎng)

2016年11月，數(shù)控協(xié)會、模具協(xié)會、智能協(xié)會等學(xué)生社團(tuán)利用主控柜、副控制柜開展了校內(nèi)第二課堂“數(shù)控機(jī)床電氣基礎(chǔ)電路設(shè)計與制作技能比賽”、“機(jī)床電氣控制設(shè)計與制作大賽”等賽項，培養(yǎng)了學(xué)生的電氣控制工程應(yīng)用能力。

6 小結(jié)

經(jīng)過近一年設(shè)計和制作的18臺數(shù)控機(jī)床電氣副控制柜，美觀大方，堅固耐用，電氣元件的安裝和更換快速方便，總體造價是市場類似產(chǎn)品的1/3左右。目前已經(jīng)正式應(yīng)用于日常教學(xué)、學(xué)生技能培養(yǎng)。數(shù)控機(jī)床電氣副柜的設(shè)計與制作既節(jié)約了經(jīng)費(fèi)，又鍛煉、培養(yǎng)了學(xué)生的綜合素質(zhì)，同時也提高了師資團(tuán)隊的綜合實(shí)力。

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TP205

A

1672-1047（2017）06-0120-03

10.3969/j.issn.1672-1047.2017.06.36

2017-11-09

黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目“ZJK7532數(shù)控鉆銑床改造工藝研究”（2016C2022113）。

曹明順，男，山東金鄉(xiāng)人，講師，高級技師。研究方向：數(shù)控技術(shù)及軟件應(yīng)用。

劉良瑞]