高校實驗室數控機床改造應用實踐*

張正偉，王凌云，吳洪彬，金美付

(南京農業大學 工學院，江蘇 南京 210031 )

0 引 言

進入新世紀以來，國內各高校對數控技術都很重視，在數控設備方面投入也都很大，但隨著時間的推移，設備開始進入故障頻發期，嚴重影響到教學的正常開展[1]。國內許多高校的實驗室里幾乎都有一些破舊閑置的數控機床，這些機床絕大部分都是年代久遠，如果當廢品賣掉覺得可惜，根據多年來國內外數控設備改造的經驗來看，改造同購置新機床相比一般可節省費用50%～60%左右[2]。為了節約教學經費，各個學校紛紛將閑置老舊機床升級改造 ，但在改造過程中也存在許多問題具體表現在以下幾方面：對舊機床各項性能掌握不全面而造成改造周期過長、科研經費超支；選擇的新系統與現有的多數系統技術代差太大，不方便教學；項目團隊成員技術不過硬造成改造方案執行不到位等。筆者就是針對國內高校實驗室在數控機床改造過程中存在這些問題，以本校實驗室數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，為本校后期多臺數控機床的改造提供經驗，也為兄弟院校開展此類工作提供借鑒參考。

1 實驗室數控車床現狀及問題

以筆者所在學校為例，多年來在數控機床方面投入較大，從2000年開始先后購置了30多臺。但隨著時間的推移，先有1臺數控車在2015年因病“下崗”了，另有6臺數控車也開始進入故障頻發期。主要存在的問題有：由于設備是國內某企業的早期產品，我校于2000年9月份采購，該批數控車床購置時間較長，電器元件有的已經老化、經常在通電后無法正常開機；系統運行不穩定，時常出現亂碼、黑屏、死機；也因學生實習時由于操作不當、程序錯誤經常發生撞刀事故而造成絲杠間隙過大，加工零件精度不高；系統也沒有圖形仿真功能，平常學生在做實驗時，由于檢查程序不仔細，經常會出現系統由于執行錯誤的加工程序而導致刀具損壞、零件報廢等事情發生，嚴重影響日常教學實驗、實習任務的開展。

圖1 改造前機床操作系統已壞 圖2 改造前機床銹跡斑斑

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，“先論證，后決策”是現代項目管理的基本準則。學校通過組織專家對即將開展的項目進行科學論證，目的是最大程度地減少浪費、利用好有限的教學經費，避免決策失誤。經過多輪對這幾臺舊數控車床的情況調查，對各項車床數據檢測，綜合各方面的情況后認為：目前該批舊車床整體機械性能尚好的情況下，進行技術改造是比較好的選擇，具有良好的經濟價值和現實意義。畢竟我校以前從未進行過數控機床改造，為了穩妥起見，專家們提出先改造一臺試試看，摸索方法，積累經驗。之后，專家們綜合了各個方面的情況認真地分析并提出技術改造方案，經學校科研處討論后批準正式立項。

2.2 項目科研團隊提供技術保障

數控機床具有卓越的自動化性能、高度柔性，它涉及機械制造技術、伺服驅動技術、傳感器技術、計算機技術、自動控制技術、軟件技術等多專業、多學科、多領域，需要運用復雜的技術和實驗手段才能完成任務，所以組建優秀的科研攻關團隊是必不可少的。本項目團隊主要有教授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功底相關學科的教師、實驗技術人員。可以說科研團隊的組建為項目的完成提供了強大的技術保障。

2.3 確定項目實施指導原則

(1) 指導原則1：前期摸底調查必須做到細致。

技術改造能否成功，關鍵取決于項目前期摸底調查、準備工作是否細致、充分。前期工作越細致、充分，后期遇到的困難、麻煩就會越少，工作進展就越順利。相反，前期工作如果做的不夠細致、充分，后期遇到的困難、麻煩肯定會很多，舊機床改造牽涉到方方面面，有的學校改造工作走走停停，甚至半途而廢也時有發生，就是這個原因。

(2) 指導原則2：數控系統的選擇必須方便教學。

國內絕大部分高校實驗室的數控機床都是分期、分批購置的，系統多、品牌雜，各個學校當初采購設備的時候任課教師從學生學習的角度著眼，選擇多種操作系統，考慮到從有利于學生實驗教學出發，選用統一系統、同一版本最合適，但往往無法兼顧到[3]。學校舊機床改造工作不同于企業，學校考慮的主要有：機床功能方面能滿足教學內容要求，不追求機床采用技術最先進。實際教學中系統種類要少，同一系統的版本也要盡量一致，這樣老師方便教且學生方便學。

(3) 指導原則3：改造后的機床安全性要高。

學生的實習安全是天大的事，舊機床改造后安全必須要有保證。在機床接電方面一定要格外注意：機床要安全接地。因為數控機床使用的是交流電，如果機床沒有安全地線接地時當設備內的電源與機殼之間的絕緣電阻變小，會導致電擊危害學生生命安全[4]。

(4) 指導原則4：拓展一些必要的新功能。

盡可能多的拓展一些原來機床上所沒有的且平常實驗教學課需要用到的功能，如系統自帶的仿真功能、網絡傳輸功能等，來滿足學生學習內容，拓寬知識面。

2.4 項目實施措施

(1) 數控操作系統選擇

對系統的選擇原則是：不貪圖高、大、上，一切從有利于方便開展教學為出發點，目前我校實驗室里數控車床的操作系統多數是西門子，系統軟件的版本為SINUMERIK 802C，共有10臺。該系統是西門子操作系統中較為經典的一款，國內高校內占有率比較高，該操作系統結構緊湊、靈敏度高且價格相對比較便宜。對于高校教學而言，該系統還具有程序段預讀功能、示教功能、仿真功能，這些功能對提高學生學習效果是有重要幫助的。所以最終選定西門子SINUMERIK 802C作為改造后的機床新系統，因為采用一系統無論教與學都很便捷。

圖3 選用的西門子操作系統

(2) 高安全性機床控制電路設計

數控機床運行能否穩定、安全，控制系統電路合理的設計起著決定性的作用，針對機床的各種需求進行了認真的思考，在保證系統能正常工作外，還兼顧便于組織教學確保學生人身安全，在參考他人技術的基礎上重新設計出了具有功能性、高安全性的系統控制電路。

圖4 新設計的機床控制電路

(3) 科學合理布局機床控制電柜內部空間

目前市場上的數控設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。灰塵多機床的電器元件容易發熱、接觸不良，陰雨天灰塵吸附水分多，電器元件易短路。對該臺數控車床電器控制柜重新改造、布局，使其內部各電器元件的位置更加科學合理。考慮防塵，更換了柜門鎖并對柜門進行了整形，縮小原有柜門的合閉縫隙；在散熱風扇處添加防塵網布，減少灰塵進入。如圖5、6所示。

圖5 工程師在控制電柜里布線 圖6 改造后的機床控制電柜

(4) 驅動器、變頻器、伺服電機、編碼器的選配

機床上選配的電器設備主要考慮的問題是這幾個方面：與西門子操作系統匹配要好，各自運行平穩；設備在滿足一般使用功能的前提下必須具有自身明顯優點；價格相對便宜；廠家售后服務質量好。通過分析國內驅動器市場情況，決定采用武漢邁信EP1Cservo系列全數字交流伺服驅動器，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，關鍵是多年來生產企業與西門子公司技術合作較多，EP系列伺服驅動器跟西門子系統的PLC匹配非常好，數控系統運行穩定。如圖7、8所示。

圖7 選用的驅動器 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，又采用先進的PID 算法 ，系統響應快速且適應性大大增強。采用武漢華大新型電機有限公司HXDWH系列的130ST-M07725H伺服電機產品,主要考慮其具有優點比較突出：在精度方面：實現了位置，速度和力矩的閉環控制；克服了步進電機失步的問題；在轉速方面：高速性能好，額定轉速能達到3000 r/min；在適應性方面：抗過載能力強，最大靜轉矩軸X向為12 Nm,軸Z向16 Nm，可以承受三倍于額定轉矩的負載。這對于沒有操作經驗的學生來說特別適用，因為機床的系統有瞬間負載波動和要求快速起動的現實需求；在及時性方面：電機加減速的動態相應時間短，一般在幾十毫秒之內，這利于節省時間，提高教學時間的利用率。 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，價格經濟，考慮到廠家在本地，日后售后服務便捷。如圖9、10所示。

圖9 選用的伺服電機 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的自動噴油潤滑器，對機床導軌及其他運動部件進行自動噴油潤滑，代替了原先的手工加油方式，一方面在提高潤滑質量及效果同時，也減少了油量消耗，延長機械使用壽命。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) 增加網絡傳輸功能

在實際數控教學中，手工編程對于實習時間短的學生來說，難度相當大。不僅需要在短時間內掌握編程所需的專業知識且編程而且工作量大、易出錯，教學效果顯然是不會太好。而借助計算機輔助設計CAD、UG等軟件，學生只要把加工零件圖畫出來，然后通過自動編程軟件進行必要的切削參數設置后便可生成加工成序，再通過網絡傳輸到機床上便可實現加工。如圖13、14所示。

圖13 信號接收天線圖14 信號接收器

(7) 機械零部件及電器元件的修復、更換

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

圖15 改造后的防護罩滑動導軌 圖16 磨損嚴重的Z向滾珠絲桿

圖17 去除的舊機床尾部護罩 圖18 損毀的刀架磁性線圈

(8) 控制系統各類參數的優化

對控制系統內的各項參數進行細致的匹配，并根據機床實際運作情況進行重點優化。重點是查看機床各種功能能否快速、平穩實現，比如：主軸正反轉功能、回參考點功能、換刀功能，程序運行功能、程序搜索功能、圖形仿真功能、外部信號接收功能等。

(9) 機床外觀出新

數控車床內部清污、除銹，運動部件的接觸面加注潤滑油，減小運動副之間的摩擦系數，車床外部也進行了清污、除銹工作并重新做漆，讓機床涅槃重生，重新煥發生機。如圖19所示。

圖19 經過改造后數控機床

(10) 后期整機系統調試、檢測、驗收

后期數控車床整機系統除了對控制系統進行調試、檢測外，還包括：主傳動系統、坐標進給系統、刀架/換刀系統、液壓系統、冷卻系統、潤滑系統、照明系統等調試、檢測。經過項目各項技術指標的檢測，絕大部分技術指標基本達到機械行業的技術標準規定，能夠滿足教學需求。其中最主要的是檢測機床的幾何精度、工作精度，看相關技術指標是否符合國家及行業標準。此次檢測工作見表1、2所列。

表1 檢測機床的幾何精度 /mm

表2 檢測機床的工作精度 /mm

經過項目各項技術指標的檢測，絕大部分技術指標基本達到機械行業的技術標準規定，能夠滿足教學需求。改造后的機床通過一個學期時間的實際運行，機床運行穩定可靠，擴展了的功能使得數控機床操作更加便捷，提高學生的學習效果的目的，同時為學校節約8萬教學經費。

3 結 語

國外歐美國家及日本在20世紀70年代就開始舊數控機床技術改造相關工作，我國雖然起步晚些但也有近30年的歷史，所以目前在技術方面不存在多少問題。關鍵要認清學校與企業有很大的不同，不能單純的用企業的經驗在學校開展這項工作，學校開展這項工作一定要圍繞“一切從教學出發”這條主線展開，在考慮確實能節約教學經費前提下，主要考慮能方便老師教、學生學，真正起到改善教學條件，提高教學質量的效果。