機(jī)床數(shù)控化改造及其在教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要: 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)在高職課程中對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)發(fā)揮了重要作用，本文作者對(duì)數(shù)控專業(yè)已有的CA6132通用車床進(jìn)行西門子802D數(shù)控化改造和在具體實(shí)踐教學(xué)過程中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。對(duì)如何利用現(xiàn)有設(shè)備更好地服務(wù)教學(xué)的改革，合理安排實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，發(fā)揮實(shí)踐教學(xué)的功能，培養(yǎng)適合數(shù)控專業(yè)發(fā)展的高素質(zhì)人才進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞: 機(jī)床數(shù)控化改造 西門子802D 專業(yè)教學(xué) 應(yīng)用

一、機(jī)床數(shù)控化改造的意義

數(shù)控機(jī)床改造是提高制造業(yè)技術(shù)水平的重要途徑之一[1]，大量的生產(chǎn)實(shí)踐證明數(shù)控機(jī)床改造具有很強(qiáng)的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。在高職院校中有很多舊機(jī)床和數(shù)控設(shè)備，由于使用時(shí)間長，無法滿足技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)品革新的要求，購置數(shù)控機(jī)床或?qū)εf機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造是解決這類問題的主要途徑之一。但購買新型數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，閑置通用機(jī)床又會(huì)造成浪費(fèi)。對(duì)舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造，對(duì)學(xué)生講授數(shù)控技術(shù)改造相關(guān)知識(shí)，與國家培養(yǎng)高技能型人才的要求相一致，符合工學(xué)結(jié)合的培養(yǎng)目標(biāo)，企業(yè)對(duì)機(jī)床改造也非常重視，對(duì)這類人才需求更是強(qiáng)烈。所以選擇數(shù)控系統(tǒng)對(duì)一些利用率低的通用機(jī)床進(jìn)行改造勢在必行。

二、教學(xué)中存在的問題

《機(jī)床電氣裝調(diào)》是數(shù)控專業(yè)一門理實(shí)一體化教學(xué)課程[2]。學(xué)生通過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，能夠理解機(jī)床控制系統(tǒng)的一般工作過程，熟悉機(jī)床控制系統(tǒng)安裝調(diào)試的方法，同時(shí)能培養(yǎng)一定的數(shù)控機(jī)床電氣維修單項(xiàng)技能。原有的教學(xué)設(shè)備是用于電氣連接調(diào)試的控制板，實(shí)踐教學(xué)的安排主要從電氣元件的識(shí)別與選用、PLC模塊的接口與連接等方面入手培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。教師上課只能在模擬的電氣操作面板上進(jìn)行演示，不能在真實(shí)的機(jī)床上進(jìn)行具體的真實(shí)的工作任務(wù)，因而學(xué)生無法在真實(shí)的數(shù)控機(jī)床上對(duì)電氣控制系統(tǒng)所控制設(shè)備的各項(xiàng)功能進(jìn)行調(diào)試。還有一個(gè)更核心的問題就是教學(xué)是面對(duì)一個(gè)班級(jí)幾十名的學(xué)生，即使學(xué)校配備專門用于電氣裝調(diào)的數(shù)控機(jī)床實(shí)訓(xùn)設(shè)備在教學(xué)中也無法保證每個(gè)學(xué)生在課堂上都得到充分的在真實(shí)機(jī)床控制板上的動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)，在真實(shí)的數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行機(jī)床電氣控制系統(tǒng)裝調(diào)訓(xùn)練。

三、數(shù)控化改造的內(nèi)容

為了解決專業(yè)教學(xué)中這一情況，同時(shí)有效利用學(xué)校已有閑置資源，在進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上對(duì)專業(yè)已有設(shè)備CA6132車床進(jìn)行數(shù)控化改造，改造的主導(dǎo)思想是數(shù)控化改造后的機(jī)床能在今后的教學(xué)中發(fā)揮最大的效果，能夠達(dá)到使用一臺(tái)數(shù)控機(jī)床就可提供一個(gè)整班實(shí)施本課程的實(shí)訓(xùn)的配套設(shè)備與環(huán)境。所以在機(jī)床改造時(shí)，首先要作全面配套改造的設(shè)想，絕不能搞局部改造。要利用現(xiàn)有資源節(jié)約成本，同時(shí)要采用針對(duì)教學(xué)的機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電氣元件的安裝，接口信號(hào)的端子安排都要求進(jìn)行最大限度的整合，最大限度地滿足教學(xué)和科研的需要。

1.改造方案的確定

在改造方案的綜合設(shè)想中，從全面配套考慮提出下列改造內(nèi)容:(1)數(shù)控系統(tǒng)選用西門子802D。(2)機(jī)床電氣柜改用PLC控制;SINUMERIK 802D集成了內(nèi)置PLC系統(tǒng)，對(duì)機(jī)床進(jìn)行邏輯控制。(3)配置機(jī)床電氣操作面板。(4)重新對(duì)機(jī)床電器進(jìn)行布線。(5)更換刀庫部件，采用LD4B-CK6163型電動(dòng)刀架。(6)進(jìn)給伺服系統(tǒng)中用交流伺服電動(dòng)機(jī)，機(jī)械連接采用電機(jī)與絲杠副通過聯(lián)軸節(jié)帶來傳動(dòng)。(7)用滾珠絲杠副代替原滑動(dòng)絲杠副。(8)液壓冷卻系統(tǒng)作相應(yīng)調(diào)整，去除多余的管路。(9)設(shè)計(jì)新型防護(hù)罩板。

2.數(shù)控系統(tǒng)的選擇

數(shù)控系統(tǒng)的選擇應(yīng)根據(jù)改造后所要達(dá)到的精度、各種性能指標(biāo)等選用性價(jià)比合適、技術(shù)先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)，當(dāng)然還要考慮改造好設(shè)備在教學(xué)中的應(yīng)用。目前市場上生產(chǎn)研發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的廠家很多，在國外有德國的SIEMENS公司、日本的FANUC公司，在國內(nèi)有華中數(shù)控設(shè)備有限公司等。數(shù)控系統(tǒng)所具有的功能要與準(zhǔn)備改造的數(shù)控機(jī)床所能達(dá)到的功能相匹配，盡量避免系統(tǒng)功能過剩，同時(shí)考慮到專業(yè)已有數(shù)控機(jī)床的配置缺少SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)，無法正常進(jìn)行有關(guān)SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)的教學(xué)，經(jīng)綜合考慮選用西門子802D數(shù)控系統(tǒng)[2]。

西門子802D數(shù)控系統(tǒng)是西門子公司2000年推出的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng):核心部件PCU將CNC、PLC、人機(jī)界面和通訊等功能集成于一體，可以控制四個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)模擬或者數(shù)字信號(hào)的主軸;模塊化的驅(qū)動(dòng)裝置SIMODRIVE 611UE[3];可以配置兩個(gè)I/O板，與驅(qū)動(dòng)裝置都通過生產(chǎn)現(xiàn)場總線連接;此外還可通過視窗化的調(diào)試工具軟件便捷地設(shè)置驅(qū)動(dòng)參數(shù)，并對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化。在改造過程中，為達(dá)到最好的控制效果，進(jìn)給軸采用了配套的1FK6交流伺服電機(jī)，主軸采用普通三相交流異步電機(jī)，采用變頻器(MM420)來驅(qū)動(dòng)主軸電機(jī)。802D輸出±10V的模態(tài)信號(hào)經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)器使主軸電機(jī)獲得不同轉(zhuǎn)速。

3.電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)改造

原有機(jī)床的機(jī)械部件和液壓部件長時(shí)間使用后仍能保持很高的精度和穩(wěn)定性，但電器元件使用壽命短，長時(shí)間使用后經(jīng)常發(fā)生故障。因此需要設(shè)計(jì)接口轉(zhuǎn)換電路和強(qiáng)電控制電路。電路中的控制變壓器、中間繼電器和交流接觸器等需設(shè)計(jì)強(qiáng)電控制箱。

(1)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則

首先機(jī)床改造后要滿足整班學(xué)生電氣裝調(diào)的要求，其次要根據(jù)機(jī)床各項(xiàng)控制目的和要求，制定電氣控制方案。設(shè)計(jì)方案要求簡單經(jīng)濟(jì)，操作容易，使用維修方便，同時(shí)要選擇合適的電器元件。

(2)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容

系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容一是選擇控制方式，包括電源、繼電器、主軸單元、輸入/輸出、伺服驅(qū)動(dòng)電路圖，也包括確定電動(dòng)機(jī)的類型、型號(hào)、容量、轉(zhuǎn)速;二是針對(duì)教學(xué)應(yīng)用的特點(diǎn)，把教學(xué)中需要學(xué)生完成的電氣裝調(diào)內(nèi)容單獨(dú)列出來，設(shè)計(jì)電氣原理圖，制作電氣安裝板，各項(xiàng)控制功能通過航空插頭傳輸?shù)礁脑旌玫臄?shù)控機(jī)床上來實(shí)現(xiàn)，電氣調(diào)試到滿足數(shù)控車床的各項(xiàng)控制功能至正常，這樣就可以在真實(shí)的數(shù)控機(jī)床上檢驗(yàn)學(xué)生電氣裝調(diào)的成果。表一描述了各個(gè)插頭的線號(hào)和對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線連接功能。X1插頭用39號(hào)紅色導(dǎo)線和40號(hào)黃色導(dǎo)線連接機(jī)床工作燈，X2插頭連接機(jī)床冷卻泵，X3用插頭連接機(jī)床集中潤滑部件，X4插頭連接機(jī)床刀架部件，X5插頭連接機(jī)床PCU與NC信號(hào)，X6插頭連接數(shù)控車床X軸與Z軸超程限位，X7插頭對(duì)數(shù)控車床驅(qū)動(dòng)器與變頻器信號(hào)進(jìn)行傳輸。通過這樣信號(hào)傳輸就可以把機(jī)床的一些電氣控制功能單獨(dú)從電路控制中提取出來，單獨(dú)制作電氣安裝板，這樣改造好的一臺(tái)數(shù)控車床就可以配備多臺(tái)電氣控制板，平?？梢赃M(jìn)行正常的數(shù)控加工任務(wù)，在教學(xué)中又可以讓學(xué)生在控制板上進(jìn)行電氣裝調(diào)訓(xùn)練，按完成先后在改造好的CK6132數(shù)控車床上進(jìn)行機(jī)床電氣裝調(diào)訓(xùn)練。

4.PLC程序設(shè)計(jì)與調(diào)試

采用SIEMENS 802D系統(tǒng)所使用PLC非常簡單、方便靈活。我們使用S7-200作為編程工具，參照系統(tǒng)自帶的工具盒(Tool box)中配備的“PLC802文件庫”，在應(yīng)用過程中對(duì)其車床的編程實(shí)例作一些簡單的修改和擴(kuò)展就可完成所需要的PLC程序。在子程序中，根據(jù)不同功能分別進(jìn)行了定義，主要包括PLC-INI(系統(tǒng)初始化)、EMG-STOP(急停處理)、MCP-802D(傳送控制面板I/O狀態(tài)到接口)、AXES-CTL(各坐標(biāo)軸控制)、LUBRICAT(定時(shí)、定量潤滑控制)、COOLING(冷卻控制)等。

四、改造后數(shù)控車床CK6132在教學(xué)中的應(yīng)用

針對(duì)“教學(xué)做一體”教學(xué)模式實(shí)施中支持環(huán)境與系統(tǒng)薄弱的不足，研制的數(shù)控加工操作與電氣維修培訓(xùn)一體機(jī)解決了機(jī)床電氣裝調(diào)實(shí)訓(xùn)設(shè)備配套經(jīng)費(fèi)昂貴的瓶頸問題，僅需投入少量經(jīng)費(fèi)，就可利用現(xiàn)有舊機(jī)床改造獲得可供一個(gè)整班實(shí)施本課程的實(shí)訓(xùn)的配套設(shè)備與環(huán)境。改造后的數(shù)控車床在滿足正常加工工作任務(wù)外，還可以進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的安排:(1)SINUMERIK 802D數(shù)控車床電氣裝調(diào)基本連接，(2)SINUMERIK 802D系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)設(shè)置;(3)SIMODRIVE 611U伺服驅(qū)動(dòng)配置與優(yōu)化;(4)SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護(hù);(5)外圍機(jī)床故障模擬與診斷等方面的內(nèi)容。

五、結(jié)語

以上是對(duì)通用車床結(jié)合教學(xué)實(shí)際進(jìn)行數(shù)控化改造的實(shí)例，機(jī)床的數(shù)控化改造可以提高高職院校中設(shè)備的利用率[4]，更重要的是在數(shù)控化改造過程中可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容安排需要合理進(jìn)行設(shè)備的改造過程，提高教師的現(xiàn)場動(dòng)手技能，也便于在今后教學(xué)活動(dòng)中進(jìn)行教學(xué)組織，而且機(jī)床改造完成后，圖紙(包括原理圖、配置圖、接線圖、梯形圖等)、資料(包括各類說明書)、軟件(調(diào)試軟件、通訊軟件)等資源也是今后教學(xué)的寶貴財(cái)富，有利于教師充實(shí)教學(xué)內(nèi)容。

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