普通车床数控化改造设计及教学应用——电气改造部分* ＊1

刘德兵

(四川托普信息技术职业学院实训中心，四川成都 611743)

CA6140普通车床是机械加工业、制造业和煤碳开采与加工以及其它行业使用和配备的常用机床。但由于它操作较繁杂，精度及性能达不到需要，难以实现自动化控制，不适合现代化生产的要求。目前，在高职院校中普遍使用的都是CA6140普通车床，由于使用时间长，已经无法满足技术进步和产品革新要求，而购买数控机床价格昂贵，闲置普通机床又会造成浪费。如果对旧机床进行数控改造，既可节省60%以上的成本，也符合高职院校工学结合的培养目标，适应人才市场需求。因此选择对一些利用率低的普通机床进行数控化改造势在必行。

1 车床数控化改造的意义

车床数控化改造是提高制造业技术水平的重要途径之一，在高职院校进行车床数控化改造具有很强的实用性、经济性和可靠性。

1.1 提高学生就业层次

数控专业学生通过系统的学习，要求掌握机床控制系统的一般工作过程，熟悉机床控制系统安装调试方法，同时具有一定的数控机床电气维修技能。目前，数控专业课程实践教学只能在模拟的电气操作面板上进行演示，学生不能在真实的数控机床上对电气控制系统设备的各项功能进行调试，并且也无法保证每个学生在课堂上都得到充分的在真实机床控制板上的动手实践机会。通过对现有普通车床数控化改造，成果可以作为专业课程教学案例和实习实训使用。并且，近年来，国内有不少厂家都在进行机床数控化改造，在高职院校进行机床改造，能够让学生掌握一门综合技能，包括机床数控化改造、数控机床维护与维修、数控机床售后服务等，从而提高高职院校数控专业学生的就业层次。

1.2 节约教学设备经费

数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术产物，是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化设备。普通机床进行数控化改造后与普通机床相比，拥有自动报警，自动监控，自动补偿，加工精度高，质量好，生产效率高，劳动强度低，机械性能稳定可靠，投资少等优势。同时，与购置新的数控机床相比，可节省60%以上的成本，为高职院校数控专业建设节约一笔设备购买经费。

2 车床电气控制系统改造

2.1 总体改造方案

由于该设计是针对高职院校普通车床的数控改造，所以，在设计具体方案时，应在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。数控系统采用华中数控HNC18XPTD;实现PLC与数控系统之间的数据处理及传送，完成机床所有的控制功能;配置机床电气操作面板。

2.2 数控系统选择

机床的数控系统是数控机床的核心。目前，我国市场上流行的数控系统包括有日本FANUC系统、德国SIEMENS系统，国产数控系统主要有广州数控系统、华中数控系统等。经了解，华中数控系统界面友好，操作方便，性价比较高，符合学校教学要求，因此，本次设计选用的是HNC18XPTD系统。该系统配有液晶中文显示，全屏幕编辑界面，操作方便易用;内嵌PLC系统，可按使用需求变更I/O控制逻辑;加减速可调，可配套伺服驱动器。具有低价格、高性能、结构紧凑、易于使用、可靠性高等特点。

2.3 电气控制系统改造

2.3.1 改造后的电气控制电路分析

普通车床CA6140经过数控化改造后，电气控制电路如图1所示。

电气控制电路控制电动机工作过程如下:数控系统发出主轴正、反转数字信号后，继电器KA1、KA2得电，常开触点闭合，继电器KM1线圈得电，其常开触点闭合，变频器通电工作，主轴电动机M1开始起动、工作;反之，数控系统发出主轴停止数字信号后，继电器KA6常闭触点断开，继电器KM1线圈掉电，变频器断电，主轴电动机M1停止工作。数控系统PLC输出端发出刀架控制信号后，继电器KM2线圈通电，其常开触点闭合，刀架电动机M2正转，继电器KM3线圈通电，其常开触点闭合，刀架电动机M2反转;数控系统PLC输出端发出冷却控制信号后，继电器KM4线圈通电，其常开触点闭合，冷却泵电动机M3起动。

(1)主传动系统分析

通过对主轴电动机的变频调速实现机床主轴的无级调速，在主轴末端安装主轴脉冲编码器，作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动，把主轴转角位置变化信号送到数控系统。数控系统按照所需加工的螺距进行计算处理，对机床进行纵向或横向的控制运转，实现加工螺纹的目的。

主轴电动机M1是一台交流变频电动机，由变频器驱动，正转、反转及速度控制也是由数控系统进行控制。

(2)进给传动系统分析

每个方向的进给传动都改由各自独立的功率伺服(或步进)电动机，经减速齿轮直接与带动滑板移动的丝杠连接，分别实现各坐标方向的运动，进行各坐标的控制。伺服驱动电路如图2。

(3)控制电路分析

数控车床控制电路包括冷却控制、刀架控制、风机冷却、开关电源、CNC系统控制等组成，如图3所示。

2.3.2 软件设计与参数调试

当系统各部件连接完毕后，必须进行PLC软件设计与参数调试。华中数控系统提供了典型车床数控系统的电气原理图、相应的参数文件、标准PLC应用程序和配套的PMC用户参数文件，利用标准PLC应用程序，并设置相应的PMC用户参数，即可满足数控车床的控制要求。参数设置框图如图4所示。

硬件参数设置如下:

开关量输入输出设置;接口设置;脉冲发生器接口设置;主轴编码器接口设置;串行伺服接口设置;步进进给驱动接口设置。

(1)参数常用键的功能

①F1～F6:直接进入相应的菜单或窗口，实现特定的功能。

②Enter:确认开始参数设置;对输入的内容确认。

③其他键的功能与计算机类似，不再叙述。

在面板上按“参数”功能键进入参数功能界面，每一个功能界面都有一个缺省按钮，而参数功能下的缺省钮是“F1－编辑参数”按钮。所以，当按下“参数”键后，可以不按“F1”键，可直接进行参数设置。参数功能界面如图5所示。

(2)坐标轴参数设置

输出类型设置;步进电动机编码设置;编码器线数设置;丝杠螺距设置;减速箱电动机齿轮齿数设置;减速箱丝杠齿轮齿数设置;快速移动速度设置;轴转速设置;最大轴速度设置;丝杠螺距设置。

(3)参考点调试

减速开关生效调试;负方向回参考点调试;减速开关速度调试;零脉冲速度调试;寻找零脉冲调试;零脉冲最大位移调试;参考点定位速度调试;参考点位置值调试;检测到零脉冲后的移动距离调试。

(4)主轴参数调试

模拟量输出调试;主轴带测量系统调试;主轴最大速度调试;主轴方式调试;编码器每转脉冲数调试;主轴监控频率调试;编码器每转脉冲数调试;主轴转速调试。

3 数控机床CA6140创新功能

3.1 专业知识综合性强

改造后的数控机床CA6140在目前开设的《数控制机床电气控制》、《数控制机床故障诊断与维修》、《传感器与检测技术》、《数控加工技术》、《数控机床原理》等课程实践教学中，可以作为原理分析、案例分析、角色扮演、故障模拟、故障分析等实物演示。在进行普通机床加工时，可作为普通车床教学使用;讲数控编程与加工课程时，又可当数控车床教学使用;讲专业课时，可作为数控机床维修、电气控制、公差配合、测量等专业课的实训教学使用;毕业设计和实习实训期间，学生也可进行反复测量、调试和组装。

3.2 研究系统性强

CA6140普通车床是高职院校数控专业普遍使用的一种教学设备。数控化改造主要是进行机械部分改造和电气部分改造，内容符合数控专业职业教育课程体系，过程充分体现了实践技能。改造后的数控机床CA6140也能满足高职院校实践教学和实习实训要求，符合职业教育的发展规律。

3.3 理论与实际有机结合

高职教育理念主要体现“以职业活动为导向，以人的发展为本位”。在实际教学过程中，理论知识以适度、够用、实用为原则，结合专业特点，重点突出对学生职业技能和综合素质的培养。普通车床数控化改造既与数控专业相关课程理论知识紧密联系，也在实践教学中体现出知识的针对性、应用性和实践意义。

3.4 贴近生产实际

目前，我国大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。所以，这种类型机床改造的需求越来越大，现在，数控机床改造已经逐渐形成了一个产业。在高职院校进行机床数控化改造，可以让学生掌握电动机参数的计算和选择、数控系统的选择、电气系统的标准化设计;熟悉普通机床改数控机床的基本方法和步骤;熟悉数控车床电气装调基本连接，常见电气、机械故障的诊断和处理;了解和掌握系统的基本数据设置，伺服驱动配置与优化，数控系统的数据保护，外围机床故障模拟与诊断等方面的内容。教学内容贴近生产实际，使学生能够在真实的职业环境中进行学习和实践操作，为今后就业打下良好的发展基础。

4 数控机床CA6140在实践教学中的应用

4.1 数控加工操作实训

《数控加工编程与操作》是机械类专业的一门专业核心课程，其教学必须将理论知识与生产实践相结合，重点是实践操作。《数控加工操作实训》是数控技术专业最重要的实践环节。改造后的数控机床CA6140能够作为该课程实践教学平台，完成数控加工工艺分析与工艺文件编制、加工程序编制、数控机床的基本操作技能、工件加工与检测等实训内容。通过实训教学，让学生能够掌握数控加工的操作技能，培养学生独立分析问题和解决问题的能力。

4.2 机床电气控制及维护实训

《数控机床电气控制》课程是数控专业的一门专业课，也是数控机床安全操作、故障诊断与维修的重要基础。该课程知识面广，包括常用低压电器、电动机基本控制线路、典型机床控制线路、变频器控制、PLC控制等内容。通过改造后的数控机床，可以完成以下实训项目:①数控车床电气装调基本连接;②系统的基本数据设置;③数控系统的数据保护;④外围机床故障模拟与诊断等方面的内容。⑤模块化的驱动装置可直接连接I/O板，还可通过视窗化的调试工具软件便捷地设置驱动参数，并对驱动器的控制参数进行动态优化。做到数控加工技术与电气维修培训一体化，解决了机床电气装调实训设备昂贵的问题。

4.3 毕业设计综合实践

毕业综合实践教学是学院培养人才的最后一个教学环节，也是学生应用所学知识、技能和技术的一次综合训练。为了适应就业岗位要求，学院要为学生提供产品设计、工艺编制、工装设计、设备维护、生产管理等方面专项技术课题研究和探讨的平台。数控车床CA6140不仅体现其专业特点，更重要的是给学生以职业意识，能在潜移默化中对学生进行教育，这正是高职高专教学的努力方向。

5 结语

改造后的数控机床不但能够实现CA6140型普通车床的原有功能，而且可以利用数控方法准确地加工任意面的旋转体，大大地提高了高职院校设备的利用率，为学院建设节约了大量资金，开拓了职业教育发展的新思路。同时，通过整个改造过程，提高了参与教师的现场动手技能，便于以后组织教学和设备维护。

［1］刘祖其.机床电气控制与PLC［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［2］陈艳红，韩洪涛.CA6140型车床的数控改造与实践［J］.机床与液压，2002(5):211－212.

［3］孙国浩，左玉营.CA6140普通车床的数控化改造［J］.山东机械，2005(3):21－25.

［4］智淑亚，徐建俊，高安邦.新编机床电气与PLC控制技术［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［5］胡伟军.机床电气控制电路的故障分析方法［J］.科技创新导报，2010(13).

［6］王燕飞.电气操作问题现状及纠正措施探讨［J］.科技资讯，2010(14).