機床數控化改造及其在教學中的應用

摘 要: 實踐教學環節在高職課程中對學生能力的培養發揮了重要作用，本文作者對數控專業已有的CA6132通用車床進行西門子802D數控化改造和在具體實踐教學過程中的應用進行了探討。對如何利用現有設備更好地服務教學的改革，合理安排實踐教學內容，發揮實踐教學的功能，培養適合數控專業發展的高素質人才進行了探討。

關鍵詞: 機床數控化改造 西門子802D 專業教學 應用

一、機床數控化改造的意義

數控機床改造是提高制造業技術水平的重要途徑之一[1]，大量的生產實踐證明數控機床改造具有很強的實用性、經濟性和可靠性。在高職院校中有很多舊機床和數控設備，由于使用時間長，無法滿足技術的進步和產品革新的要求，購置數控機床或對舊機床進行數控化改造是解決這類問題的主要途徑之一。但購買新型數控機床價格昂貴，閑置通用機床又會造成浪費。對舊機床進行數控改造，對學生講授數控技術改造相關知識，與國家培養高技能型人才的要求相一致，符合工學結合的培養目標，企業對機床改造也非常重視，對這類人才需求更是強烈。所以選擇數控系統對一些利用率低的通用機床進行改造勢在必行。

二、教學中存在的問題

《機床電氣裝調》是數控專業一門理實一體化教學課程[2]。學生通過系統的學習，能夠理解機床控制系統的一般工作過程，熟悉機床控制系統安裝調試的方法，同時能培養一定的數控機床電氣維修單項技能。原有的教學設備是用于電氣連接調試的控制板，實踐教學的安排主要從電氣元件的識別與選用、PLC模塊的接口與連接等方面入手培養學生的實踐能力。教師上課只能在模擬的電氣操作面板上進行演示，不能在真實的機床上進行具體的真實的工作任務，因而學生無法在真實的數控機床上對電氣控制系統所控制設備的各項功能進行調試。還有一個更核心的問題就是教學是面對一個班級幾十名的學生，即使學校配備專門用于電氣裝調的數控機床實訓設備在教學中也無法保證每個學生在課堂上都得到充分的在真實機床控制板上的動手實踐機會，在真實的數控機床上進行機床電氣控制系統裝調訓練。

三、數控化改造的內容

為了解決專業教學中這一情況，同時有效利用學校已有閑置資源，在進行充分調研的基礎上對專業已有設備CA6132車床進行數控化改造，改造的主導思想是數控化改造后的機床能在今后的教學中發揮最大的效果，能夠達到使用一臺數控機床就可提供一個整班實施本課程的實訓的配套設備與環境。所以在機床改造時，首先要作全面配套改造的設想，絕不能搞局部改造。要利用現有資源節約成本，同時要采用針對教學的機床結構設計，電氣元件的安裝，接口信號的端子安排都要求進行最大限度的整合，最大限度地滿足教學和科研的需要。

1.改造方案的確定

在改造方案的綜合設想中，從全面配套考慮提出下列改造內容:(1)數控系統選用西門子802D。(2)機床電氣柜改用PLC控制;SINUMERIK 802D集成了內置PLC系統，對機床進行邏輯控制。(3)配置機床電氣操作面板。(4)重新對機床電器進行布線。(5)更換刀庫部件，采用LD4B-CK6163型電動刀架。(6)進給伺服系統中用交流伺服電動機，機械連接采用電機與絲杠副通過聯軸節帶來傳動。(7)用滾珠絲杠副代替原滑動絲杠副。(8)液壓冷卻系統作相應調整，去除多余的管路。(9)設計新型防護罩板。

2.數控系統的選擇

數控系統的選擇應根據改造后所要達到的精度、各種性能指標等選用性價比合適、技術先進的數控系統，當然還要考慮改造好設備在教學中的應用。目前市場上生產研發數控系統的廠家很多，在國外有德國的SIEMENS公司、日本的FANUC公司，在國內有華中數控設備有限公司等。數控系統所具有的功能要與準備改造的數控機床所能達到的功能相匹配，盡量避免系統功能過剩，同時考慮到專業已有數控機床的配置缺少SIEMENS數控系統，無法正常進行有關SIEMENS數控系統的教學，經綜合考慮選用西門子802D數控系統[2]。

西門子802D數控系統是西門子公司2000年推出的經濟型數控系統:核心部件PCU將CNC、PLC、人機界面和通訊等功能集成于一體，可以控制四個進給軸和一個模擬或者數字信號的主軸;模塊化的驅動裝置SIMODRIVE 611UE[3];可以配置兩個I/O板，與驅動裝置都通過生產現場總線連接;此外還可通過視窗化的調試工具軟件便捷地設置驅動參數，并對驅動器的控制參數進行動態優化。在改造過程中，為達到最好的控制效果，進給軸采用了配套的1FK6交流伺服電機，主軸采用普通三相交流異步電機，采用變頻器(MM420)來驅動主軸電機。802D輸出±10V的模態信號經伺服驅動器使主軸電機獲得不同轉速。

3.電氣控制系統設計改造

原有機床的機械部件和液壓部件長時間使用后仍能保持很高的精度和穩定性，但電器元件使用壽命短，長時間使用后經常發生故障。因此需要設計接口轉換電路和強電控制電路。電路中的控制變壓器、中間繼電器和交流接觸器等需設計強電控制箱。

(1)電氣控制系統設計的原則

首先機床改造后要滿足整班學生電氣裝調的要求，其次要根據機床各項控制目的和要求，制定電氣控制方案。設計方案要求簡單經濟，操作容易，使用維修方便，同時要選擇合適的電器元件。

(2)電氣控制系統設計的內容

系統設計內容一是選擇控制方式，包括電源、繼電器、主軸單元、輸入/輸出、伺服驅動電路圖，也包括確定電動機的類型、型號、容量、轉速;二是針對教學應用的特點，把教學中需要學生完成的電氣裝調內容單獨列出來，設計電氣原理圖，制作電氣安裝板，各項控制功能通過航空插頭傳輸到改造好的數控機床上來實現，電氣調試到滿足數控車床的各項控制功能至正常，這樣就可以在真實的數控機床上檢驗學生電氣裝調的成果。表一描述了各個插頭的線號和對應的導線連接功能。X1插頭用39號紅色導線和40號黃色導線連接機床工作燈，X2插頭連接機床冷卻泵，X3用插頭連接機床集中潤滑部件，X4插頭連接機床刀架部件，X5插頭連接機床PCU與NC信號，X6插頭連接數控車床X軸與Z軸超程限位，X7插頭對數控車床驅動器與變頻器信號進行傳輸。通過這樣信號傳輸就可以把機床的一些電氣控制功能單獨從電路控制中提取出來，單獨制作電氣安裝板，這樣改造好的一臺數控車床就可以配備多臺電氣控制板，平常可以進行正常的數控加工任務，在教學中又可以讓學生在控制板上進行電氣裝調訓練，按完成先后在改造好的CK6132數控車床上進行機床電氣裝調訓練。

4.PLC程序設計與調試

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

四、改造后數控車床CK6132在教學中的應用

針對“教學做一體”教學模式實施中支持環境與系統薄弱的不足，研制的數控加工操作與電氣維修培訓一體機解決了機床電氣裝調實訓設備配套經費昂貴的瓶頸問題，僅需投入少量經費，就可利用現有舊機床改造獲得可供一個整班實施本課程的實訓的配套設備與環境。改造后的數控車床在滿足正常加工工作任務外，還可以進行下列實驗實訓的安排:(1)SINUMERIK 802D數控車床電氣裝調基本連接，(2)SINUMERIK 802D系統的基本數據設置;(3)SIMODRIVE 611U伺服驅動配置與優化;(4)SINUMERIK 802D數控系統的數據保護;(5)外圍機床故障模擬與診斷等方面的內容。

五、結語

以上是對通用車床結合教學實際進行數控化改造的實例，機床的數控化改造可以提高高職院校中設備的利用率[4]，更重要的是在數控化改造過程中可以根據教學內容安排需要合理進行設備的改造過程，提高教師的現場動手技能，也便于在今后教學活動中進行教學組織，而且機床改造完成后，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(調試軟件、通訊軟件)等資源也是今后教學的寶貴財富，有利于教師充實教學內容。

參考文獻:

[1]高杉，趙波.普通機床的數控改造策略，遼寧省交通高等專科學校學報，2009，(6):40-41.

[2]李南，張博等.西門子802D數控系統在DPS1800車床數控改造中的應用，機床與液壓，2009，(5):181-182.

[3]陳平信.西門子系統與數控機床改造，中國設備工程，2008，(12):12-16.

[4]曹霞，黃志榮.數控加工中心改造及教學改革，考試周刊，2009，(19):38-39.