數(shù)控裝備維修的綜合實踐項目

丁文政， 王 娟， 汪木蘭， 侯軍明

(1．南京工程學(xué)院先進(jìn)制造技術(shù)工程中心，江蘇南京211167;2．江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，江蘇南京211168)

0 引言

隨著我國制造業(yè)的快速發(fā)展，制造裝備的數(shù)量急劇增多，尤其是數(shù)控裝備的應(yīng)用大幅增加，僅2010年上半年，全國數(shù)控機(jī)床的增量就達(dá)到了9．5萬臺［1］。設(shè)備的使用不可避免地會產(chǎn)生故障，而高水平的維修工程師能快速檢修設(shè)備，有效縮短故障時間，并提升設(shè)備使用壽命［2-3］。由于數(shù)控裝備的復(fù)雜性和精密性，傳統(tǒng)的維修技術(shù)人員已經(jīng)不能勝任先進(jìn)數(shù)控裝備檢測維修工作的需求，迫切需要培養(yǎng)一批掌握現(xiàn)代數(shù)控裝備原理和檢修技術(shù)的應(yīng)用型高層次人才［4］。為此，學(xué)院本著工程教育回歸工程的教育理念［5］，在實施“卓越工程師培養(yǎng)計劃”的過程中，大力改革“機(jī)械設(shè)計制造及自動化”專業(yè)的實踐教學(xué)內(nèi)容［6］，基于CDIO的工程教育理念和項目為載體的工程訓(xùn)練體系［7-8］，建設(shè)了數(shù)控裝備維修綜合實踐項目教學(xué)環(huán)節(jié)，著力加強學(xué)生數(shù)控裝備檢測維修工程能力的培養(yǎng)。

1 綜合實踐項目體系

實踐項目的設(shè)計以數(shù)控裝備的典型代表數(shù)控機(jī)床為背景。通過對南京地區(qū)多家大型數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)和使用企業(yè)的調(diào)研和分析，提出了“面向工程，夯實原理，機(jī)電結(jié)合，功能和精度并重”的數(shù)控裝備維修綜合實踐項目建設(shè)思路。在全面梳理理論知識與工程應(yīng)用關(guān)系的基礎(chǔ)上，橫向從控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)三個方面設(shè)計綜合實踐子項目，如圖1所示。每個子項目需要2或3人的小組共同完成。學(xué)生在項目選擇時，按照主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)兩條縱向主線選擇每個模塊內(nèi)的子項目。每個小組需要完成從故障檢測分析到控制系統(tǒng)檢修、機(jī)械系統(tǒng)檢修等多個環(huán)節(jié)，最后完成機(jī)床功能和精度恢復(fù)的工程任務(wù)。該綜合實踐項目改變以演示和驗證為主的傳統(tǒng)實踐教學(xué)形式，提高了學(xué)生的工程應(yīng)用能力［9］，目前正被建設(shè)成開放式實踐課程，可供全校機(jī)械類、自動控制類所有專業(yè)學(xué)生選擇。

圖1 綜合實踐項目體系結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)模塊項目設(shè)計

工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的數(shù)控系統(tǒng)眾多，要學(xué)生通過實踐項目了解掌握每一種系統(tǒng)是不現(xiàn)實的，而且目前的商用數(shù)控系統(tǒng)都是封閉式的，學(xué)生無法了解數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的工作原理，對于很多故障很難從源頭上理解透徹［10］。因此設(shè)計控制系統(tǒng)模塊子項目時，在數(shù)控原理層面設(shè)計了“基于運動控制卡的數(shù)控軟件開發(fā)”和“基于PLC和觸摸屏的變頻調(diào)速系統(tǒng)開發(fā)”兩個子項目。兩個項目的功能要求分別如圖2、3所示。通過這兩個子項目使學(xué)生切實掌握伺服進(jìn)給系統(tǒng)和變頻主軸系統(tǒng)的控制原理，從而對商用數(shù)控系統(tǒng)的故障檢修能觸類旁通。

圖2 數(shù)控軟件功能要求圖

圖3 變頻調(diào)速系統(tǒng)功能要求圖

另外，針對商用數(shù)控系統(tǒng)，設(shè)計了普通型的西門子802Dsl數(shù)控系統(tǒng)的安裝調(diào)試，高檔型的海德漢iTNC530數(shù)控系統(tǒng)的安裝調(diào)試兩個子項目，主要涉及數(shù)控系統(tǒng)功能故障診斷和參數(shù)設(shè)置，讓學(xué)生了解工業(yè)現(xiàn)場典型故障的分析和處理。

3 機(jī)械系統(tǒng)模塊項目設(shè)計

數(shù)控機(jī)床的性能很大程度上取決于機(jī)械部件尤其是關(guān)鍵功能部件，如滾珠絲杠、滾動導(dǎo)軌、精密主軸等［11］。相應(yīng)地，數(shù)控機(jī)床的故障，也需要從這幾個方面分析原因，這些關(guān)鍵功能部件都是標(biāo)準(zhǔn)件，維修工程人員重點要從安裝和調(diào)整方面來檢修機(jī)械系統(tǒng)。為此，分別設(shè)計了“滾珠絲杠副的安裝與調(diào)整”、“滾動導(dǎo)軌副的安裝與調(diào)整”、“數(shù)控銑床主軸的安裝與調(diào)整”三個子項目。

(1)滾珠絲杠副的安裝與調(diào)整。該項目設(shè)計從滾珠絲杠支承方式多樣性的角度考慮，要求按照圖4所示的一端固定，一端支承的方式安裝滾珠絲杠。要求檢測并調(diào)整前后軸承座軸承孔的同軸度，檢測并調(diào)整前后軸承座與導(dǎo)軌的平行度，進(jìn)行軸承的安裝與調(diào)整，以及滾珠絲杠的預(yù)拉伸。

圖4 滾珠絲杠裝配圖

(2)滾動導(dǎo)軌副的安裝與調(diào)整。滾動導(dǎo)軌副的安裝種類很多，幾乎能滿足任何結(jié)構(gòu)的需求。安裝時主要要求調(diào)整滾動導(dǎo)軌副水平方向和垂直方向的安裝誤差。因為安裝誤差過大，將形成滑塊撬力，引起滾動體和滾道之間接觸角的變化，增大摩擦力，降低壽命，并使剛性降低，進(jìn)而影響滾動導(dǎo)軌副的運動精度和性能保持性［12］。

(3)數(shù)控銑床主軸安裝與調(diào)整。主軸安裝項目的主要內(nèi)容是主軸軸承的安裝與調(diào)整，主軸軸承對主軸的剛度和旋轉(zhuǎn)精度有著非常重要的影響。通過該項目實踐，要求學(xué)生了解主軸剛度與軸承類型和配置形式之間的關(guān)系，掌握旋轉(zhuǎn)精度與安裝中軸承間隙調(diào)整之間的關(guān)系［13］。

4 檢測系統(tǒng)模塊項目設(shè)計

數(shù)控機(jī)床長期運行和磨損，機(jī)床精度會下降，造成被加工零件精度不達(dá)標(biāo)，這就需要維修工程人員對機(jī)床進(jìn)行檢測分析，進(jìn)而恢復(fù)精度。按照國標(biāo)中機(jī)床檢驗通則(GB/T17421-2000)的規(guī)定，數(shù)控機(jī)床的精度檢驗分成幾何精度檢驗、定位精度檢驗、加工精度檢驗三個方面［14］?？紤]到實際加工在項目教學(xué)中的可操作性，項目設(shè)計時以聯(lián)動精度檢驗代替加工精度檢驗。該模塊以數(shù)控銑床為對象，設(shè)計以下三個項目。

(1)數(shù)控機(jī)床幾何精度檢測與分析。幾何精度檢測主要包括3個坐標(biāo)軸的直線度，3個坐標(biāo)軸中兩兩之間的垂直度，坐標(biāo)軸運動的俯仰和偏擺誤差，工作臺面的平面度，主軸軸線與Z軸軸線之間的平行度幾個方面［15］，并從裝配的角度分析引起誤差的原因。該項目要求學(xué)生掌握激光干涉儀的使用，檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 幾何精度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(2)數(shù)控機(jī)床定位精度檢測與分析。定位精度是數(shù)控機(jī)床機(jī)電精度的綜合反映，取決于數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)械傳動誤差。該項目設(shè)計要求學(xué)生能用激光干涉儀按照GB/T17421．2-2000的標(biāo)準(zhǔn)檢測數(shù)控銑床各坐標(biāo)軸的定位精度，并分析影響定位精度的原因，找出相應(yīng)的解決方案。

(3)數(shù)控機(jī)床聯(lián)動精度檢測與分析。多軸聯(lián)動精度是影響數(shù)控機(jī)床加工精度的重要方面，是幾何精度、定位精度、伺服參數(shù)的綜合反映［16］。對聯(lián)動精度檢測并分析找出數(shù)控機(jī)床的故障點，是對數(shù)控機(jī)床維修工程人員的高層次要求，該項目要求學(xué)生學(xué)習(xí)掌握球桿儀的使用，并能分析典型現(xiàn)象的誤差源。圖6是學(xué)生對XK850數(shù)控銑床xy坐標(biāo)聯(lián)動精度的檢測結(jié)果。

圖6 基于球桿儀的聯(lián)動精度檢測結(jié)果

5 結(jié)語

該綜合實踐項目建設(shè)自2010年啟動以來，機(jī)械設(shè)計制造及自動化專業(yè)2007、2008級數(shù)控加工與維修方向共80名學(xué)生陸續(xù)進(jìn)行了綜合實踐項目的試點。通過綜合項目訓(xùn)練，學(xué)生經(jīng)歷了數(shù)控機(jī)床檢測維修過程中所涉及到的各個環(huán)節(jié)，包括精度檢測，故障原因分析，控制系統(tǒng)檢修，機(jī)械系統(tǒng)檢修等;夯實了理論基礎(chǔ)，包括數(shù)控原理，精度分析理論等;掌握了多項先進(jìn)技能，包括軟件編程，激光干涉儀使用，球桿儀使用等;從而全方位地鍛煉了學(xué)生的工程能力，增強了學(xué)生的就業(yè)競爭力。多名學(xué)生進(jìn)入企業(yè)從事設(shè)備維護(hù)工作并很快獲得了用人單位的肯定，還有1名學(xué)生以綜合實踐項目為背景的本科畢業(yè)設(shè)計獲得了江蘇省優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計。良好的教學(xué)效果，使得該項目受到了機(jī)械類、自動控制類多個專業(yè)方向?qū)W生的青睞。

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