數控機床教學化設備改造與研究

隨著數控機床的擁有量逐年增加，對數控機床維護維修技能人才，尤其是數控機床系統及電氣方面維護維修技能人才的需求旺盛。但是這類人才的培養需要大量實際工作經驗，要理論結合實際，僅僅靠使用市場上銷售的模擬數控機床電氣實驗、實訓臺很難滿足人才培養的要求；直接對現有的數控機床進行電氣系統拆裝、調試存在很大風險，同時影響設備的正常使用，所以對現有的數控機床設備進行教學化改造具有十分重要的意義。

一、教學化數控機床的現狀

在國內比較成熟的企業有很多，生產出了種類繁多、功能強大的教學設備，但是大多數比較“秀氣”，由于不進行實際加工，元器件選型的時候一般功率、電流、電壓等技術參數都比較小，尺寸也比較小，“小型”化特別多，學生在拆裝等訓練時，不規范現象比較多，很容易損壞元器件，一臺教學用設備經過幾輪的拆裝實訓，很快就報廢了。我校購買某公司數控銑床試驗臺，培養學生機電聯調的能力，進過幾個來回的拆裝調試，全部設備無法進行正常聯調，很多元器件、機床部件損壞。

二、數控機床電氣系統教學化改造可行性

數控機床屬于電子類產品，隨著時間的推移，電子元器件的穩定性就得不到保證，影響數控機床正常運行。傳統的師傅帶徒弟模式已經滿足不了高速發展中的制造業對維護維修人員的需求，要培訓出符合行業企業需求的維修維護人員必須擁有大量的實際工作經驗，必須工學結合、理實一體化培養。市場上用于數控機床維護維修的實驗臺有很多，多都不是專門的維修實驗臺，只是簡單的模擬數控運動、電器元件線路的連接，很多機械結構只是教學模型，與工業用數控機床相差甚遠，尤其是數控系統、電氣控制系統部分差別更大，而且價格普遍較貴。

近些年職業院校都新增大量的數控機床，有很多淘汰的舊數控機床，一般機械部分完好，系統、電氣部分由于沒有得到及時的保養、升級等，成為了“淘汰”品，躺在墻角睡覺，如果通過適當的改造，變成培養數控機床維護維修人才的平臺，將是一件十分有意義的事情；新購置的數控機床直接用于數控機床維護維修人才培養，進行數控系統的參數修改、PMC修改，電氣部分的拆裝，將存在很大的風險，如果防范不到位可能又將變為“淘汰”品，失去其應用價值，如果能夠復制出數控機床的數控系統、電氣系統，也就是我們所說的數控機床的控制柜，就可以根據教學需要“隨便”拆裝了，甚至可以重新布置該數控機床的電氣控制系統。

三、數控機床床電氣控制系統教學化改造設計步驟

以FANUC 0i mate TD數控車床為突破口，根據實用、經濟、安全的思路，分析數控機床的組成，主要有數控系統、電氣控制系統、機床本體等組成。

第一步要做的就是把機床本體與數控系統、電氣系統分開，做成兩個完整的體系，數控系統、電氣系統做成一個模塊，機床本體做成一個模塊，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，如圖1所示。

圖1 數控機床主控制柜與主機

目前數控系統部件已經模塊化，數控機床主板、I/O板、主軸伺服單元、進給伺服單元都已經實現模塊化，在使用過程中直接通過快換接口拔插即可實現連接，在維護維修中如果某一元器件損壞，一般采用整體更換，這就要求技術人員能夠進行檢測；電氣回路部分是維護維修的重點，尤其對于初學者更是一個難點。第二步要做的就復制“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 數控機床主控制柜與副控制柜

改造后的實驗裝置包含主機、主控柜、副控制柜三個部分，為我們的學習者提供了一個專用的維修技術學習平臺，該平臺能夠實現基本電氣控制回路的安裝、設計與調試、數控系統參數與PMC的維修與調試、機電聯調等數控機床維護維修項目的技術人員的培訓。

同時在實際改造施工中根據現場實際情況不斷改善和補充設計方案，注重安全防護，尤其是線路的保護裝置。為了方便學生學習，在數控系統的現在上就采用了數控車床原有的FANUC 0i mate TD數控系統，這一款數控系統價格比較合理，市場應用比較廣泛，性價比高，配件充足，在功能方面是比較典型的一款數控系統。

四、具體改造方案

在原有數控車床基礎上研究其電氣控制原理圖，找出簡便可斷開的點，采用航空插頭的形式，方便通過主控制柜與機床硬件進行連接，主要需要斷開的有X、Z軸伺服電動機的電源線及信號線、主軸系統的電源及控制信號、行程開關信號、冷卻系統電源及控制信號、潤滑系統電源及控制信號等。

設計數控機床的主控制柜，購買FANUC 0i mate TD數控系統，復制出原有數控機床的數控系統、電氣控制系統，尋找斷點，替代現有的數控機床的數控系統、電氣控制系統，實現與機床主體連接并進行調試。

設計數控機床的副控制柜，把機床主控制柜的電氣部分再次復制，尋找斷點，替代現有的主控制柜的電氣控制系統，能夠實現與主控制柜聯調，并且能夠進行常用電氣回路的設計、安裝與調試，改造后的數控車床組成部分如圖3所示。

圖3 改造后的數控車床組成部分

具體實施方案如下：

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

（2）改造電氣系統，設計主控制柜。原有的配電柜結構封閉，操作空間有限，施工困難，不便于人才培養或者多人學習操作，但是改造后又不能丟失原有機床的功能，要對現有的線路進行改造，采用簡化、集中的原則，調整布局，設計新的主控柜，采用敞開式，便于施工操作。設計便于移動、連接、接線施工的主柜結構，購買數控系統、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。主控柜設計、安裝完成后就可以通過航空插頭與機床本體進行連接、調試。

在主控制柜上開發其功能，可以實現普通數控車床的基本功能，同時又能夠實現電器控回路的設計、安裝，能夠進數控車床參數調整、PMC開發、故障設置及故障排查等功能。

（3）剝離控制電路，設計副控制柜。整個數控車床的控制電路對于新手來說，結構復雜、回路比較多，僅連接線路達200多根，很難一下子上手，可能會導致很多學生知難而退。要從基本電氣控制回路開始學習，比如點動控制回路、常動控制回路等，還要能夠實現變壓回路連接，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現主回路的控制。就要主控制柜中的電氣控制回路分開，設計副控制柜結構，能夠滿足移動方便、簡單直觀、連接方便等要求，同時能夠實現基本回路在副控制柜上施工、安裝、調試等。

五、預期效果

通過本次改造達到如下效果：

（1）在小的投入下開發FANUC 0i mate TD數控車床電氣系統，能夠實現數控系統參數、PMC學習，培養學生對典型數控系統進行維護維修；

（2）開發數控車床電氣系統，實現企業化電氣控制線路的制作、安裝與調試，最好能夠進行常見控制線路的設計、安裝與調試；

（3）不影響現有數控機床正常使用的前提下，培養學生數控機床機電聯調技能，為學生從事數控機床裝調、售后服務等崗位積累經驗。（作者單位為黃岡職業技術學院）

基金項目：校級科研課題，《ZJK7532數控鉆銑床改造工藝研究》，項目編號：2016C2022113；校級科研課題，《活塞燃燒室臥式銑床改造》，項目編號：2014C2022118。