數控機床維修實訓設備改造的探究

楊立平

摘? 要：隨著工業4.0的快速發展，傳統的制造設備逐漸被以高檔數控設備所替代，機床的維護與維修人才出現很大的人才需求。職業類院校專業設置需緊貼社會的崗位需求，近幾年各大院校開設數控機床維修與裝調專業，培養數控機床故障診斷與維修方面的專業人才。為合理有效利用數控車床，滿足數控、機電專業學生的教學需求，提升學生動手能力和解決實際問題，從而提出對數控維修實訓設備改造的幾點思考，使之能夠滿足數控車床維修實訓設備的要求。

關鍵詞：數控車床? 面板布局設計? 電氣控制改造? 故障點設計

中圖分類號：TG659 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）07（a）-0086-03

Abstract： With the rapid development of industry 4.0， the traditional manufacturing equipment is gradually replaced by high-grade numerical control equipment. There is a great demand for talents in machine tool maintenance and repair. In recent years， all colleges and universities have set up the major of NC machine tool maintenance and adjustment to cultivate the professional talents in NC machine tool fault diagnosis and maintenance. In order to use CNC lathe reasonably and effectively， meet the teaching needs of students majoring in CNC and mechatronics， improve their practical ability and solve practical problems， this paper puts forward some thoughts on the transformation of CNC maintenance training equipment， so that it can meet the requirements of CNC lathe maintenance training equipment.

Key Words： CNC lathe; Panel layout; Electrical control transformation; Fault point design

1? 數控車床維修實訓設備面板布局設計的研究

數控車床維修實訓設備面板主要包括機床電氣控制模塊、數控裝置信號接口、主軸變頻器控制模塊、進給伺服驅動模塊、PLC控制模塊，將各個模塊分區布局，本著結構系統緊湊、美觀簡潔的原則進行布局設計。各模塊名稱及功能如下。

1.1 機床電氣控制模塊

機床電氣控制模塊包括了數控機床上電過程的電氣控制原理圖與各元器件的型號與功能，直觀展示數控系統、主軸變頻器、進給伺服驅動器和照明、排風等控制原理。

1.2 數控裝置模塊

數控裝置模塊主要為系統信號的輸入輸出端子。包括了主軸變頻器、進給伺服驅動器、PLC模塊、反饋等系統信號控制。可進行檢測端子信號是否正常，并根據數控系統控制原理進行通信。

1.3 故障設置模塊

該模塊為故障設置區，采用隱蔽式安裝，教師可通過故障按鈕的通斷來設置機床故障來考核學生維修知識的掌握程度。

1.4 PLC輸入輸出模塊

將PLC 模塊的輸入輸出端子排列到面板上，并將24V電源連接通斷開關，通過開關控制輸入信號，觀察輸出端子的變化以及數控系統內狀態的變化。

1.5 主軸控制模塊

主軸控制模塊包括了變頻器電壓輸入端子、電壓輸出端子、脈沖信號端子、速度控制端子等，采用香蕉接線柱布置在面板上，便于學生檢測與排除信號故障。

1.6 進給驅動模塊

主要包括了X、Z伺服驅動器以及各端子接口的布局，并展示伺服驅動器原理圖與各端口的功能。

2? 數控車床維修實訓設備電氣控制模塊設計

2.1 維修實訓實訓設備主電路方案

實訓設備強電控制主要有變頻器輸入電壓控制、刀架電機控制、冷卻電機控制、伺服驅動器電壓輸入控制、變壓器、穩壓電源電壓輸入控制等。電路保護采用了斷路器、熔斷器、空氣開關的多重保護，接觸器的三個主觸點均連接了滅弧器，保護接觸器不被頻繁通斷而燒壞。

2.2 維修實訓設備控制電路設計

實訓設備控制電路設計接觸器 KM3、KM4、KM5、KM6線圈通過繼電器K3、K4、K5、K6分別控制，實現對主軸、冷卻液、刀架電機、伺服驅動主電路的控制。交流接觸器主觸點與線圈采用滅弧器保護觸點。

3? 故障點設計的研究

設計故障點的關鍵要符合實際應用中的普遍性和可行性，通過調研企業車間中常出現的機床故障，設計以下故障點。

3.1 電氣部分故障點設置

電氣部分故障設置為暗設置，故障開關放在試驗臺背面的電氣柜中，共五個故障點，分別為變壓器故障、主軸不能運行故障、系統無法啟動故障、X軸不能運行故障、排風扇不能運行故障。

3.1.1 變壓器故障點設計

在變壓器電壓輸入端設置斷路器QF將電路斷開，考察學生對變壓器電源輸入電路的檢測。

3.1.2 系統無法啟動故障點設計

數控系統電源由變壓器輸出電壓220V與開關電源連接，在變壓器輸出電壓端設置斷路器，將電源斷開，考察學生對數控系統控制電路的掌握程度。

3.1.3 X軸不能運行故障點設計

伺服電機電壓由變壓器提供 AC80 V到伺服驅動器來轉換放大。再由伺服驅動器輸出電壓到 X軸電機，在伺服驅動器輸入電壓端設置斷路器，將開關斷開，考察學生對伺服驅動控制電路的掌握程度。

3.1.4 冷卻無法啟動故障設計

由數控系統發出信號控制中間繼電器線圈，中間繼電器KA控制冷卻電機接觸器KM，在冷卻電氣控制電路中設置斷路器，來設置冷卻電機不啟動故障，考察學生對冷卻電機控制電路的掌握程度。

3.1.5 主軸不能運行故障點設計

三相電經過空氣開關和接觸器KM連接到主軸變頻器輸入電壓端子，變頻器輸出電壓到主軸電機，故在主電路中設置斷路器將電源斷開，考察學生對主軸電氣控制的掌握程度。

3.2 數控系統故障點設置

3.2.1 數控信號故障點設置

每個信號可對應系統信號接口各腳針定義來查故障，其意義在系統信號接口部分有說明。按下故障按鈕即切斷信號傳輸，產生故障。故障診斷時可測量試驗臺數控系統信號部分的插孔的信號值，切勿接錯信號插孔位置，以免引起系統與驅動器短路，燒毀機床部件。

3.2.2 系統參數故障點設置

數控參數分為系統參數和用戶參數，一般情況系統參數不允許用戶修改，用戶參數可根據所加工情況進行更改，如軟限位設置、回參考點參數設置、主軸、進給軸參數設置、加工參數設置等，在老師的指導下進行參數的設置。

3.3 驅動系統故障點設置

3.3.1 主軸驅動故障點設置

主軸變頻器參數包括主軸轉速設置、主軸轉向控制、高速、中速、低速轉速設置、PU模式操作等，可在參數上設置故障點，如最高轉速設置為6000r/min，主軸轉速無法達到所要求的速度，這是因為所設參數超出要求，檢查參數找到對應的代碼進行更改。

3.3.2 進給軸驅動故障點設置

軟限位參數設置可控制進給軸的軟件位置限制，通過設置軟限位故障點，縮短進給軸移動行程，當到達軟限位時，進給軸軸無法再繼續運行，并顯示報警，可通過查找相應的參數代碼進行修改。除此以外，可通過模擬電壓為伺服驅動器提供模擬信號，驅動伺服電機運行。

3.4 機械傳動故障點設置

此項目主要包括滾珠絲杠螺母副傳動原理與故障設置、主軸軸承故障設置、主軸電機皮帶故障設置、四方刀架原理與故障設置等。

3.4.1 主軸機械故障

將主軸中間傳動裝置皮帶輪松脫。主軸電機運轉正常，但主軸卡盤未帶動。

3.4.2 進給軸機械故障

將進給軸X或Z軸中間傳動裝置的聯軸器松動。 數控系統發出手動連續運轉指令（X或Z軸）時，機床工作臺未發生移動。在數控系統處于復位狀態時，檢查相應軸的機械傳動裝置，發現聯軸器緊固裝置松動，在維修緊固時，保證電動機轉子軸與滾珠絲桿連接同步。 再次發出進給軸運動指令，傳動恢復正常。

4? 對數控機床現有功能改造研究

數控機床是針對加工應用而設計制造的，要讓數控車床能夠達到具備數控維修實訓臺的功能，要有針對性的功能設計與模塊布局，具體有：

（1）數控系統信號接口的改造，應用型數控車床的系統信號接口具有隱蔽性，學生不能直接對信號線進行檢測、辨別，這就要將數控系統信號重新分配，使其直觀體現在實訓臺的面板上，可以方便檢測系統信號的通斷。

（2）在數控機床中主軸變頻器由數控系統發出脈沖來控制主軸轉速，在數控車床維修實訓臺中主軸變頻器不單單控制主軸轉速的功能，還要能夠通過主軸變頻器的 PU模式進行外部控制主軸，這就要設計模擬數控系統主軸控制信號的電壓與脈沖波形，使其具有單獨控制主軸的功能，讓學生了解變頻器控制原理與參數設置。

5? 結語

本文主要將強電部分、數控系統、驅動系統、機械部分常會出現的故障點進行羅列，并結合自身的實際教學，操作數控機床的經驗，對數控車床實訓設備實現的功能提出新的設計思路，并根據職業類院校數控故障診斷與維修的課程標準，完成數控維修實訓設備面板布局設計、電氣控制模塊、故障點設置等研究。保障教學工作的正常開展，進一步提升自身數控機床維修技術的水平。

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