高校實驗室數(shù)控機(jī)床改造應(yīng)用實踐*

張正偉，王凌云，吳洪彬，金美付

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031 )

0 引 言

進(jìn)入新世紀(jì)以來，國內(nèi)各高校對數(shù)控技術(shù)都很重視，在數(shù)控設(shè)備方面投入也都很大，但隨著時間的推移，設(shè)備開始進(jìn)入故障頻發(fā)期，嚴(yán)重影響到教學(xué)的正常開展[1]。國內(nèi)許多高校的實驗室里幾乎都有一些破舊閑置的數(shù)控機(jī)床，這些機(jī)床絕大部分都是年代久遠(yuǎn)，如果當(dāng)廢品賣掉覺得可惜，根據(jù)多年來國內(nèi)外數(shù)控設(shè)備改造的經(jīng)驗來看，改造同購置新機(jī)床相比一般可節(jié)省費(fèi)用50%～60%左右[2]。為了節(jié)約教學(xué)經(jīng)費(fèi)，各個學(xué)校紛紛將閑置老舊機(jī)床升級改造 ，但在改造過程中也存在許多問題具體表現(xiàn)在以下幾方面：對舊機(jī)床各項性能掌握不全面而造成改造周期過長、科研經(jīng)費(fèi)超支；選擇的新系統(tǒng)與現(xiàn)有的多數(shù)系統(tǒng)技術(shù)代差太大，不方便教學(xué)；項目團(tuán)隊成員技術(shù)不過硬造成改造方案執(zhí)行不到位等。筆者就是針對國內(nèi)高校實驗室在數(shù)控機(jī)床改造過程中存在這些問題，以本校實驗室數(shù)控車床實際改造成功為范例，提出一些自己解決問題的實用做法與策略，為本校后期多臺數(shù)控機(jī)床的改造提供經(jīng)驗，也為兄弟院校開展此類工作提供借鑒參考。

1 實驗室數(shù)控車床現(xiàn)狀及問題

以筆者所在學(xué)校為例，多年來在數(shù)控機(jī)床方面投入較大，從2000年開始先后購置了30多臺。但隨著時間的推移，先有1臺數(shù)控車在2015年因病“下崗”了，另有6臺數(shù)控車也開始進(jìn)入故障頻發(fā)期。主要存在的問題有：由于設(shè)備是國內(nèi)某企業(yè)的早期產(chǎn)品，我校于2000年9月份采購，該批數(shù)控車床購置時間較長，電器元件有的已經(jīng)老化、經(jīng)常在通電后無法正常開機(jī)；系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，時常出現(xiàn)亂碼、黑屏、死機(jī)；也因?qū)W生實習(xí)時由于操作不當(dāng)、程序錯誤經(jīng)常發(fā)生撞刀事故而造成絲杠間隙過大，加工零件精度不高；系統(tǒng)也沒有圖形仿真功能，平常學(xué)生在做實驗時，由于檢查程序不仔細(xì)，經(jīng)常會出現(xiàn)系統(tǒng)由于執(zhí)行錯誤的加工程序而導(dǎo)致刀具損壞、零件報廢等事情發(fā)生，嚴(yán)重影響日常教學(xué)實驗、實習(xí)任務(wù)的開展。

圖1 改造前機(jī)床操作系統(tǒng)已壞 圖2 改造前機(jī)床銹跡斑斑

2 改造實施方案的確定

2.1 專家論證

項目論證是項目決策的依據(jù)，“先論證，后決策”是現(xiàn)代項目管理的基本準(zhǔn)則。學(xué)校通過組織專家對即將開展的項目進(jìn)行科學(xué)論證，目的是最大程度地減少浪費(fèi)、利用好有限的教學(xué)經(jīng)費(fèi)，避免決策失誤。經(jīng)過多輪對這幾臺舊數(shù)控車床的情況調(diào)查，對各項車床數(shù)據(jù)檢測，綜合各方面的情況后認(rèn)為：目前該批舊車床整體機(jī)械性能尚好的情況下，進(jìn)行技術(shù)改造是比較好的選擇，具有良好的經(jīng)濟(jì)價值和現(xiàn)實意義。畢竟我校以前從未進(jìn)行過數(shù)控機(jī)床改造，為了穩(wěn)妥起見，專家們提出先改造一臺試試看，摸索方法，積累經(jīng)驗。之后，專家們綜合了各個方面的情況認(rèn)真地分析并提出技術(shù)改造方案，經(jīng)學(xué)校科研處討論后批準(zhǔn)正式立項。

2.2 項目科研團(tuán)隊提供技術(shù)保障

數(shù)控機(jī)床具有卓越的自動化性能、高度柔性，它涉及機(jī)械制造技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、軟件技術(shù)等多專業(yè)、多學(xué)科、多領(lǐng)域，需要運(yùn)用復(fù)雜的技術(shù)和實驗手段才能完成任務(wù)，所以組建優(yōu)秀的科研攻關(guān)團(tuán)隊是必不可少的。本項目團(tuán)隊主要有教授1人、副教授1人、高級工程師1人、工程師3人、講師2人、實驗師2人、技師1人等的人員組成，共計15人，他們都是有扎實專業(yè)功底相關(guān)學(xué)科的教師、實驗技術(shù)人員。可以說科研團(tuán)隊的組建為項目的完成提供了強(qiáng)大的技術(shù)保障。

2.3 確定項目實施指導(dǎo)原則

(1) 指導(dǎo)原則1：前期摸底調(diào)查必須做到細(xì)致。

技術(shù)改造能否成功，關(guān)鍵取決于項目前期摸底調(diào)查、準(zhǔn)備工作是否細(xì)致、充分。前期工作越細(xì)致、充分，后期遇到的困難、麻煩就會越少，工作進(jìn)展就越順利。相反，前期工作如果做的不夠細(xì)致、充分，后期遇到的困難、麻煩肯定會很多，舊機(jī)床改造牽涉到方方面面，有的學(xué)校改造工作走走停停，甚至半途而廢也時有發(fā)生，就是這個原因。

(2) 指導(dǎo)原則2：數(shù)控系統(tǒng)的選擇必須方便教學(xué)。

國內(nèi)絕大部分高校實驗室的數(shù)控機(jī)床都是分期、分批購置的，系統(tǒng)多、品牌雜，各個學(xué)校當(dāng)初采購設(shè)備的時候任課教師從學(xué)生學(xué)習(xí)的角度著眼，選擇多種操作系統(tǒng)，考慮到從有利于學(xué)生實驗教學(xué)出發(fā)，選用統(tǒng)一系統(tǒng)、同一版本最合適，但往往無法兼顧到[3]。學(xué)校舊機(jī)床改造工作不同于企業(yè)，學(xué)校考慮的主要有：機(jī)床功能方面能滿足教學(xué)內(nèi)容要求，不追求機(jī)床采用技術(shù)最先進(jìn)。實際教學(xué)中系統(tǒng)種類要少，同一系統(tǒng)的版本也要盡量一致，這樣老師方便教且學(xué)生方便學(xué)。

(3) 指導(dǎo)原則3：改造后的機(jī)床安全性要高。

學(xué)生的實習(xí)安全是天大的事，舊機(jī)床改造后安全必須要有保證。在機(jī)床接電方面一定要格外注意：機(jī)床要安全接地。因為數(shù)控機(jī)床使用的是交流電，如果機(jī)床沒有安全地線接地時當(dāng)設(shè)備內(nèi)的電源與機(jī)殼之間的絕緣電阻變小，會導(dǎo)致電擊危害學(xué)生生命安全[4]。

(4) 指導(dǎo)原則4：拓展一些必要的新功能。

盡可能多的拓展一些原來機(jī)床上所沒有的且平常實驗教學(xué)課需要用到的功能，如系統(tǒng)自帶的仿真功能、網(wǎng)絡(luò)傳輸功能等，來滿足學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容，拓寬知識面。

2.4 項目實施措施

(1) 數(shù)控操作系統(tǒng)選擇

對系統(tǒng)的選擇原則是：不貪圖高、大、上，一切從有利于方便開展教學(xué)為出發(fā)點，目前我校實驗室里數(shù)控車床的操作系統(tǒng)多數(shù)是西門子，系統(tǒng)軟件的版本為SINUMERIK 802C，共有10臺。該系統(tǒng)是西門子操作系統(tǒng)中較為經(jīng)典的一款，國內(nèi)高校內(nèi)占有率比較高，該操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高且價格相對比較便宜。對于高校教學(xué)而言，該系統(tǒng)還具有程序段預(yù)讀功能、示教功能、仿真功能，這些功能對提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果是有重要幫助的。所以最終選定西門子SINUMERIK 802C作為改造后的機(jī)床新系統(tǒng)，因為采用一系統(tǒng)無論教與學(xué)都很便捷。

圖3 選用的西門子操作系統(tǒng)

(2) 高安全性機(jī)床控制電路設(shè)計

數(shù)控機(jī)床運(yùn)行能否穩(wěn)定、安全，控制系統(tǒng)電路合理的設(shè)計起著決定性的作用，針對機(jī)床的各種需求進(jìn)行了認(rèn)真的思考，在保證系統(tǒng)能正常工作外，還兼顧便于組織教學(xué)確保學(xué)生人身安全，在參考他人技術(shù)的基礎(chǔ)上重新設(shè)計出了具有功能性、高安全性的系統(tǒng)控制電路。

圖4 新設(shè)計的機(jī)床控制電路

(3) 科學(xué)合理布局機(jī)床控制電柜內(nèi)部空間

目前市場上的數(shù)控設(shè)備尤其在防塵方面做得不夠好，通常打開電器控制柜里面滿是灰塵。灰塵多機(jī)床的電器元件容易發(fā)熱、接觸不良，陰雨天灰塵吸附水分多，電器元件易短路。對該臺數(shù)控車床電器控制柜重新改造、布局，使其內(nèi)部各電器元件的位置更加科學(xué)合理。考慮防塵，更換了柜門鎖并對柜門進(jìn)行了整形，縮小原有柜門的合閉縫隙；在散熱風(fēng)扇處添加防塵網(wǎng)布，減少灰塵進(jìn)入。如圖5、6所示。

圖5 工程師在控制電柜里布線 圖6 改造后的機(jī)床控制電柜

(4) 驅(qū)動器、變頻器、伺服電機(jī)、編碼器的選配

機(jī)床上選配的電器設(shè)備主要考慮的問題是這幾個方面：與西門子操作系統(tǒng)匹配要好，各自運(yùn)行平穩(wěn)；設(shè)備在滿足一般使用功能的前提下必須具有自身明顯優(yōu)點；價格相對便宜；廠家售后服務(wù)質(zhì)量好。通過分析國內(nèi)驅(qū)動器市場情況，決定采用武漢邁信EP1Cservo系列全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器，其特點是高性能、智能化、高可靠性 、小體積的一種交流伺服系統(tǒng)，關(guān)鍵是多年來生產(chǎn)企業(yè)與西門子公司技術(shù)合作較多，EP系列伺服驅(qū)動器跟西門子系統(tǒng)的PLC匹配非常好，數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。如圖7、8所示。

圖7 選用的驅(qū)動器 圖8 選用的變頻器

選用的變頻器是匯川INOVANCE，其控制方式為無速度傳感器矢量控制，既有豐富的頻率源疊加和切換方式，又采用先進(jìn)的PID 算法 ，系統(tǒng)響應(yīng)快速且適應(yīng)性大大增強(qiáng)。采用武漢華大新型電機(jī)有限公司HXDWH系列的130ST-M07725H伺服電機(jī)產(chǎn)品,主要考慮其具有優(yōu)點比較突出：在精度方面：實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問題；在轉(zhuǎn)速方面：高速性能好，額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到3000 r/min；在適應(yīng)性方面：抗過載能力強(qiáng)，最大靜轉(zhuǎn)矩軸X向為12 Nm,軸Z向16 Nm，可以承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載。這對于沒有操作經(jīng)驗的學(xué)生來說特別適用，因為機(jī)床的系統(tǒng)有瞬間負(fù)載波動和要求快速起動的現(xiàn)實需求；在及時性方面：電機(jī)加減速的動態(tài)相應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)，這利于節(jié)省時間，提高教學(xué)時間的利用率。 采用南京天文儀器研制中心NAIRC光電編碼器，其特點是體積小、分辨率高，價格經(jīng)濟(jì)，考慮到廠家在本地，日后售后服務(wù)便捷。如圖9、10所示。

圖9 選用的伺服電機(jī) 圖10 選用的光電編碼器

(5) 采用自動噴油潤滑

采用南京一廠家生產(chǎn)的自動噴油潤滑器，對機(jī)床導(dǎo)軌及其他運(yùn)動部件進(jìn)行自動噴油潤滑，代替了原先的手工加油方式，一方面在提高潤滑質(zhì)量及效果同時，也減少了油量消耗，延長機(jī)械使用壽命。如圖11、12所示。

圖11 原手動噴油潤滑器 圖12 選用的自動噴油潤滑器

(6) 增加網(wǎng)絡(luò)傳輸功能

在實際數(shù)控教學(xué)中，手工編程對于實習(xí)時間短的學(xué)生來說，難度相當(dāng)大。不僅需要在短時間內(nèi)掌握編程所需的專業(yè)知識且編程而且工作量大、易出錯，教學(xué)效果顯然是不會太好。而借助計算機(jī)輔助設(shè)計CAD、UG等軟件，學(xué)生只要把加工零件圖畫出來，然后通過自動編程軟件進(jìn)行必要的切削參數(shù)設(shè)置后便可生成加工成序，再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綑C(jī)床上便可實現(xiàn)加工。如圖13、14所示。

圖13 信號接收天線圖14 信號接收器

(7) 機(jī)械零部件及電器元件的修復(fù)、更換

仔細(xì)檢查數(shù)控車床機(jī)械零部件磨損、損壞、缺失等情況，根據(jù)實際情況進(jìn)行必要的修復(fù)、更換，更換了部分磨損嚴(yán)重甚至損毀器件如：傳動皮帶、三爪卡盤、X軸和Z軸的滾珠、油管、行程開關(guān)、接觸器、變壓器、防護(hù)罩滾輪、緊急停止按鈕等。對于電器元件，由于設(shè)備使用時間太久，絕緣不好，老化嚴(yán)重，原則上全部更換，包括接線和數(shù)據(jù)線。如圖15～18所示。

圖15 改造后的防護(hù)罩滑動導(dǎo)軌 圖16 磨損嚴(yán)重的Z向滾珠絲桿

圖17 去除的舊機(jī)床尾部護(hù)罩 圖18 損毀的刀架磁性線圈

(8) 控制系統(tǒng)各類參數(shù)的優(yōu)化

對控制系統(tǒng)內(nèi)的各項參數(shù)進(jìn)行細(xì)致的匹配，并根據(jù)機(jī)床實際運(yùn)作情況進(jìn)行重點優(yōu)化。重點是查看機(jī)床各種功能能否快速、平穩(wěn)實現(xiàn)，比如：主軸正反轉(zhuǎn)功能、回參考點功能、換刀功能，程序運(yùn)行功能、程序搜索功能、圖形仿真功能、外部信號接收功能等。

(9) 機(jī)床外觀出新

數(shù)控車床內(nèi)部清污、除銹，運(yùn)動部件的接觸面加注潤滑油，減小運(yùn)動副之間的摩擦系數(shù)，車床外部也進(jìn)行了清污、除銹工作并重新做漆，讓機(jī)床涅槃重生，重新煥發(fā)生機(jī)。如圖19所示。

圖19 經(jīng)過改造后數(shù)控機(jī)床

(10) 后期整機(jī)系統(tǒng)調(diào)試、檢測、驗收

后期數(shù)控車床整機(jī)系統(tǒng)除了對控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、檢測外，還包括：主傳動系統(tǒng)、坐標(biāo)進(jìn)給系統(tǒng)、刀架/換刀系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等調(diào)試、檢測。經(jīng)過項目各項技術(shù)指標(biāo)的檢測，絕大部分技術(shù)指標(biāo)基本達(dá)到機(jī)械行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，能夠滿足教學(xué)需求。其中最主要的是檢測機(jī)床的幾何精度、工作精度，看相關(guān)技術(shù)指標(biāo)是否符合國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此次檢測工作見表1、2所列。

表1 檢測機(jī)床的幾何精度 /mm

表2 檢測機(jī)床的工作精度 /mm

經(jīng)過項目各項技術(shù)指標(biāo)的檢測，絕大部分技術(shù)指標(biāo)基本達(dá)到機(jī)械行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，能夠滿足教學(xué)需求。改造后的機(jī)床通過一個學(xué)期時間的實際運(yùn)行，機(jī)床運(yùn)行穩(wěn)定可靠，擴(kuò)展了的功能使得數(shù)控機(jī)床操作更加便捷，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果的目的，同時為學(xué)校節(jié)約8萬教學(xué)經(jīng)費(fèi)。

3 結(jié) 語

國外歐美國家及日本在20世紀(jì)70年代就開始舊數(shù)控機(jī)床技術(shù)改造相關(guān)工作，我國雖然起步晚些但也有近30年的歷史，所以目前在技術(shù)方面不存在多少問題。關(guān)鍵要認(rèn)清學(xué)校與企業(yè)有很大的不同，不能單純的用企業(yè)的經(jīng)驗在學(xué)校開展這項工作，學(xué)校開展這項工作一定要圍繞“一切從教學(xué)出發(fā)”這條主線展開，在考慮確實能節(jié)約教學(xué)經(jīng)費(fèi)前提下，主要考慮能方便老師教、學(xué)生學(xué)，真正起到改善教學(xué)條件，提高教學(xué)質(zhì)量的效果。