数控机床教学化设备改造与研究

随着数控机床的拥有量逐年增加，对数控机床维护维修技能人才，尤其是数控机床系统及电气方面维护维修技能人才的需求旺盛。但是这类人才的培养需要大量实际工作经验，要理论结合实际，仅仅靠使用市场上销售的模拟数控机床电气实验、实训台很难满足人才培养的要求；直接对现有的数控机床进行电气系统拆装、调试存在很大风险，同时影响设备的正常使用，所以对现有的数控机床设备进行教学化改造具有十分重要的意义。

一、教学化数控机床的现状

在国内比较成熟的企业有很多，生产出了种类繁多、功能强大的教学设备，但是大多数比较“秀气”，由于不进行实际加工，元器件选型的时候一般功率、电流、电压等技术参数都比较小，尺寸也比较小，“小型”化特别多，学生在拆装等训练时，不规范现象比较多，很容易损坏元器件，一台教学用设备经过几轮的拆装实训，很快就报废了。我校购买某公司数控铣床试验台，培养学生机电联调的能力，进过几个来回的拆装调试，全部设备无法进行正常联调，很多元器件、机床部件损坏。

二、数控机床电气系统教学化改造可行性

数控机床属于电子类产品，随着时间的推移，电子元器件的稳定性就得不到保证，影响数控机床正常运行。传统的师傅带徒弟模式已经满足不了高速发展中的制造业对维护维修人员的需求，要培训出符合行业企业需求的维修维护人员必须拥有大量的实际工作经验，必须工学结合、理实一体化培养。市场上用于数控机床维护维修的实验台有很多，多都不是专门的维修实验台，只是简单的模拟数控运动、电器元件线路的连接，很多机械结构只是教学模型，与工业用数控机床相差甚远，尤其是数控系统、电气控制系统部分差别更大，而且价格普遍较贵。

近些年职业院校都新增大量的数控机床，有很多淘汰的旧数控机床，一般机械部分完好，系统、电气部分由于没有得到及时的保养、升级等，成为了“淘汰”品，躺在墙角睡觉，如果通过适当的改造，变成培养数控机床维护维修人才的平台，将是一件十分有意义的事情；新购置的数控机床直接用于数控机床维护维修人才培养，进行数控系统的参数修改、PMC修改，电气部分的拆装，将存在很大的风险，如果防范不到位可能又将变为“淘汰”品，失去其应用价值，如果能够复制出数控机床的数控系统、电气系统，也就是我们所说的数控机床的控制柜，就可以根据教学需要“随便”拆装了，甚至可以重新布置该数控机床的电气控制系统。

三、数控机床床电气控制系统教学化改造设计步骤

以FANUC 0i mate TD数控车床为突破口，根据实用、经济、安全的思路，分析数控机床的组成，主要有数控系统、电气控制系统、机床本体等组成。

第一步要做的就是把机床本体与数控系统、电气系统分开，做成两个完整的体系，数控系统、电气系统做成一个模块，机床本体做成一个模块，两者之间通过即插即用接口连接，模块一称为主控制柜，模块二称为主机，如图1所示。

图1 数控机床主控制柜与主机

目前数控系统部件已经模块化，数控机床主板、I/O板、主轴伺服单元、进给伺服单元都已经实现模块化，在使用过程中直接通过快换接口拔插即可实现连接，在维护维修中如果某一元器件损坏，一般采用整体更换，这就要求技术人员能够进行检测；电气回路部分是维护维修的重点，尤其对于初学者更是一个难点。第二步要做的就复制“电气回路”，组成模块三，也就是副控制柜，与主控柜两者之间通过即插即用接口连接，如图2所示。

图2 数控机床主控制柜与副控制柜

改造后的实验装置包含主机、主控柜、副控制柜三个部分，为我们的学习者提供了一个专用的维修技术学习平台，该平台能够实现基本电气控制回路的安装、设计与调试、数控系统参数与PMC的维修与调试、机电联调等数控机床维护维修项目的技术人员的培训。

同时在实际改造施工中根据现场实际情况不断改善和补充设计方案，注重安全防护，尤其是线路的保护装置。为了方便学生学习，在数控系统的现在上就采用了数控车床原有的FANUC 0i mate TD数控系统，这一款数控系统价格比较合理，市场应用比较广泛，性价比高，配件充足，在功能方面是比较典型的一款数控系统。

四、具体改造方案

在原有数控车床基础上研究其电气控制原理图，找出简便可断开的点，采用航空插头的形式，方便通过主控制柜与机床硬件进行连接，主要需要断开的有X、Z轴伺服电动机的电源线及信号线、主轴系统的电源及控制信号、行程开关信号、冷却系统电源及控制信号、润滑系统电源及控制信号等。

设计数控机床的主控制柜，购买FANUC 0i mate TD数控系统，复制出原有数控机床的数控系统、电气控制系统，寻找断点，替代现有的数控机床的数控系统、电气控制系统，实现与机床主体连接并进行调试。

设计数控机床的副控制柜，把机床主控制柜的电气部分再次复制，寻找断点，替代现有的主控制柜的电气控制系统，能够实现与主控制柜联调，并且能够进行常用电气回路的设计、安装与调试，改造后的数控车床组成部分如图3所示。

图3 改造后的数控车床组成部分

具体实施方案如下：

（1）断开机床本体，设置断点。依据数控车床的电气总装图、电气互联图以及组成部分，把数控车床的“断点”找到，把机床本体上的主轴电动机、冷却电机、四工位刀架装置、润滑装置、照明装置、数控车床行程控制等与机床的电气回路分开，采用航空插头。

（2）改造电气系统，设计主控制柜。原有的配电柜结构封闭，操作空间有限，施工困难，不便于人才培养或者多人学习操作，但是改造后又不能丢失原有机床的功能，要对现有的线路进行改造，采用简化、集中的原则，调整布局，设计新的主控柜，采用敞开式，便于施工操作。设计便于移动、连接、接线施工的主柜结构，购买数控系统、伺服单元、I＼O单元、变频器（可选）、电气元器件、变压器、24V电源等搭建主控制柜。主控柜设计、安装完成后就可以通过航空插头与机床本体进行连接、调试。

在主控制柜上开发其功能，可以实现普通数控车床的基本功能，同时又能够实现电器控回路的设计、安装，能够进数控车床参数调整、PMC开发、故障设置及故障排查等功能。

（3）剥离控制电路，设计副控制柜。整个数控车床的控制电路对于新手来说，结构复杂、回路比较多，仅连接线路达200多根，很难一下子上手，可能会导致很多学生知难而退。要从基本电气控制回路开始学习，比如点动控制回路、常动控制回路等，还要能够实现变压回路连接，通过24V电压控制中间继电器，再由中间继电器控制交流接触器的线圈实现主回路的控制。就要主控制柜中的电气控制回路分开，设计副控制柜结构，能够满足移动方便、简单直观、连接方便等要求，同时能够实现基本回路在副控制柜上施工、安装、调试等。

五、预期效果

通过本次改造达到如下效果：

（1）在小的投入下开发FANUC 0i mate TD数控车床电气系统，能够实现数控系统参数、PMC学习，培养学生对典型数控系统进行维护维修；

（2）开发数控车床电气系统，实现企业化电气控制线路的制作、安装与调试，最好能够进行常见控制线路的设计、安装与调试；

（3）不影响现有数控机床正常使用的前提下，培养学生数控机床机电联调技能，为学生从事数控机床装调、售后服务等岗位积累经验。（作者单位为黄冈职业技术学院）

基金项目：校级科研课题，《ZJK7532数控钻铣床改造工艺研究》，项目编号：2016C2022113；校级科研课题，《活塞燃烧室卧式铣床改造》，项目编号：2014C2022118。