数控机床电气副控制柜的设计与制作

曹明顺

数控机床电气副控制柜的设计与制作

曹明顺

（黄冈职业技术学院 机电学院, 湖北 黄冈 438002）

针对当今制造业数控机床维护维修人才的巨大需求、人才培养难度大，使用市场上销售的模拟数控机床电气实训台不能满足维护维修类人才培养的要求，直接对现有的数控机床进行拆装存在很大风险等问题，通过市场调研了解到数控机床电气部分为数控机床的核心之一，又是数控机床故障频发的主要部件，在教学实践中开发和设计可用于数控车床、数控铣床、加工中心等电气类设备的基本电气回路的设计、安装与调试学习和培训的数控机床电气副控制柜，为培养数控机床维护维修类人才提供了平台。

数控机床；电气副柜；设计制作

近几年来我国数控技术得到了迅速发展和广泛应用，产生了巨大的生产力，从神舟十一号飞船的上天，到我国正在研制的真空高速列车，无不表明数控技术已经成为衡量一个国家制造业水平的重要标志。随着中国制造业的转型升级，我国拥有数控机床的数量逐年增加，由于设备自身的特点，后期的维护维修已经成为企业面临的非常“头痛”的问题。数控机床总体来说属于电子产品，有一定的使用寿命，数控机床出问题甚至导致整套设备停机，因此，数控机床故障能及时排除就显得十分必要，而维修人员的技术水平就决定了数控设备在出现故障时能否得到及时的维修，最大限度地发挥数控设备的利用率，使企业高效地完成生产，满足客户需求，及时为客户提供优良产品。

1 设计背景及意义

1.1 设计背景

数控机床维修人员技术技能水平的提高要经历长时间的积累，而且是一个反复、经验不断积累的过程，要培养一个技术高超、能够及时解决问题的维修人员来满足企业的需求也就不是一朝一夕的事，不仅仅需要提供学习和锻炼的平台，更需要建立维护维修人员成长的体制环境。就我国目前的情况来看主要有两个途径，一个是企业、社会培训机构专职培训，另一个是高等院校职业教育，不管哪种类型的教育，都需要实际工作环境的锻炼，才能够培养出合格的人才。实验实训设备就成为人才培养的瓶颈，采用工业用机床设备，价格比较高，具有很大的风险，所以目前市场上开发了很多模拟实验实训设备，借助模拟技术在计算机信息化平台上用物理或数学的方法进行模拟描述，该项技术在很多工程领域得到了广泛应用，为社会人才培养发挥了不可磨灭的贡献。虽然云计算、人工智能、专家系统等技术不断充实和完善模拟实验实训平台的发展，但是毕竟属于模拟，很多实际动手操作、实际工作经验等能力的培养不能得到真正的提高。既要保证企业设备的完好率，又能通过实际操作来提高维修人员技术水平的更加逼真的“模拟数控机床电气实验实训平台”就成为了高技能维修人员培养亟待解决的问题。电气系统是数控机床重要的组成部分，对数控机床稳定和安全运行起到至关重要的作用，但是长期工作和环境恶劣很容易出现电气的故障，所以逼真的“模拟数控机床电气实验实训平台”的开发就更加重要。

1.2 设计意义

我校现代制造实训中心拥有 CA6150、CAK6132V/750等各型数控车床、数控铣床、加工中心10余台，承担了机械类、机电类专业群相关的理论、实践教学，同时还承担了企业在岗人员岗位技能提升、培训、技能鉴定等工作。由于近年来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日益增加，通过购买模拟数控机床电气实验、实训台不能满足培训要求；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（如图 1为我校CAK6132V/750数控车床电气控制柜，I/O模块、X轴伺服单元、变频器、部分电路已经损坏，修理中）；学院目前各项经费都较为紧张，暂时无法通过增加数控机床数量来解决这个问题。经过充分调研，决定以FANUC 0i mate TD数控车床为突破口，设计和制作副控制柜。

图1 CAK6132V/750数控车床电气控制柜（拆装前后）

通过副控制柜的设计与制作达到如下效果：

（1）在小的投入下开发数控机床电气副柜，能够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；

（2）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。

2 设计理念

数控车床的电气系统比较复杂，由很多基本功能模块组成，每一个模块又有自己的基本电路，每一个电路由基本元器件组成，所以副控制柜必须具有便于各种基本回路元器件的安装、拆卸，各种常见基本回路的设计、安装与调试的功能，才能够满足学习者机床电气设计、安装与调试的能力要求，为学习者从事数控机床装调、售后服务、技术服务等岗位积累经验。

数控机床副柜的设计理念为：实用性强、操作方便、维修容易。

2.1 实用性强

副控制柜整个结构与主控制柜相似，底座配有四个万向轮，带锁紧功能，便于搬运、移动、施工接线。配置多功能变压器，满足常用电压的需求。采用网孔板、卡槽结构，便于各种元器件的安装，满足不同电路的安装调试。

2.2 操作方便

副控制柜能实现常用元器件的即拆即装，而且方便拆卸，方便线路连接，并且能够方便元器件布局，合理的分配电能，方便对电路的开合操作。有较高的安全防护等级，能直观的显示电路的导通状态（安全防护符合国家标准）。

2.3 维修容易

为方便元器件安装、更换，整个主控柜采用框式结构，用网孔板、钣金件组合而成，配装元器件卡槽，方便拆卸。

3 设计方案

3.1 制定方案

方案一：固定式安装

在木板、环氧绝缘板等材料上直接电气元器件，旁边安装线槽，进行各种控制线路的连接。

当前，医院党支部工作任务重，专职党务工作者少，大多数临床科室负责人兼职党支部书记，医院党支部建设要求更加规范化、标准化。利用“互联网+党建”模式，通过搭建“互联网+党建”平台，将党支部工作的具体内容划分到“两学一做”、党务公开、党员管理、党费收缴、党员民主评议等不同板块，可实现党支部的规范化管理，通过医院党建网络门户、支部微信群、支部QQ群等多种新媒体形式，及时发布支部的学习的内容、活动等。这将传统的支部工作模式与“互联网+”相结合，加强党员的教育、管理和培训，有利于助推党支部工作标准化、规范化。

方案二：移动式安装

整体结构采用台架式，3mm厚钢板折弯而成，黑色烤漆，美观大方，坚固耐用；工作面采用孔宽度为5mm网孔板，便于各种标准或非标准元器件的安装；网孔板上装有电气安装导轨卡槽，满足各种标准电气元件的快速更换；两边配有宽口行线槽，便于工整布线；底板配有多功能变压器，满足不同电压的需求；副柜底部安装带锁紧功能的万向轮，便于移动、便于施工；进线电源采用5线航插式，实现快换、接地安全。

3.2 两种方案比较

各方案的优缺点如表1所示。

表1 数控机床副柜优缺点比较

比较两种设计方案，再权衡各种利弊，最终采用实用性最强、成本更低廉、操作更加方便、功能更全面的方案二来实现数控机床副柜的功能。

4 副控制柜制作工艺及规程

4.1 技术要求

副控制柜主体材料应承受一定的机械力，满足学生不规范使用的意外情况，同时能经受正常使用条件潮湿影响，应该有防锈处理。当设备标明用于高湿度或温差变化较大的场所时，应在已选定防护等级的基础上。

副控制柜主体的结构设计，应能保证调试、运行、操作、维修和检查测试时的安全可靠。同时还要满足各元件动作时所产生的机械振动、电磁场干扰、电弧放电等现象，同时不得对其他元件正常功能有所影响，以至引起电气元器件的误动作。

柜内元件的布置、电路的排列（包括一次和二次），应整齐美观、操作方便、工艺合理和维修安全。

4.2 实施方案

在底板上配有多功能变压器，满足不同电压的需求。进线电源采用 5线航插式，实现快换、接地安全。

在底座下安装有四个万向轮，移动灵活方便，耐磨耐用，适用于不同的场合，聚氨酯抗化学品腐蚀性能比较好，耐高温，行驶无轮印，噪音小并带有锁紧功能，防止接线过程的不便。它水平安装在底座的四个端点方向，

具体结构如图2所示。

图2 数控机床电气副柜结构图

4.3 具体尺寸

柜体部分长80cm、宽62cm、高148cm，截面形状为倒T形，底座离地面的高度为10cm。

柜体上装有60cm×80cm的网孔板，网孔尺寸为5mm×30mm，孔间距为5mm。网孔板上装有电气安装导轨卡槽，在上面安装元器件简单、方便，实现即挂即用；两边配有宽口行线槽，便于工整布线。万向轮直径：101mm，最大载荷：200kg，底板尺寸100 mm×115 mm，总高度：144mm。安装孔距：72 mm×84mm。

5 应用价值

数控系统目前已经模块化，直接插入相应接口即可完成系统连接，数控机床电气控制是培养学生的数控机床电气系统维修能力的重点和难点，需要循序渐进。副控制柜的结构采用网孔板的结构，方便元器件的安装，可以实现基本回路的设计、安装与调试，比如点动控制回路、常动控制回路、正反转控制回路、星三角形降压启动等常用回路。该作品结构简单、拆卸方便、移动方便、安全可靠，特别适用于教学方面。在以往的数控系统教学过程中，是对着数控系统线路的理论知识作为指导，面对这样枯燥的理论知识，缺乏动手锻炼的实践操作。本款作品正好解决了这一难题，实现了“每一根线一一灌输”的理念。由于结构简单，在很多方面可以应用，还可批量生产。

5.1 课堂教育教学

一学期以来，数控技术专业、机电设备维修与管理、工业机器人等专业已经利用主控柜、副控制柜开展了《数控机床电气控制》、《机器人电气控制技术》等课程的教学，前后共完成 500多人次的训练，培养了学生的电气控制方面的能力，掌握了数控机床电气控制基本回路的原理，学生操作技能、职业素养的养成得到了有效解决。

5.2 学生技能培养

2016年11月，数控协会、模具协会、智能协会等学生社团利用主控柜、副控制柜开展了校内第二课堂“数控机床电气基础电路设计与制作技能比赛”、“机床电气控制设计与制作大赛”等赛项，培养了学生的电气控制工程应用能力。

6 小结

经过近一年设计和制作的18台数控机床电气副控制柜，美观大方，坚固耐用，电气元件的安装和更换快速方便，总体造价是市场类似产品的1/3左右。目前已经正式应用于日常教学、学生技能培养。数控机床电气副柜的设计与制作既节约了经费，又锻炼、培养了学生的综合素质，同时也提高了师资团队的综合实力。

[1]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社,2006.

[2]李建功.机械设计基础[M].北京:机械工业出版社,2012.

[3]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2013.

[4]陆龙福,罗进生.UG NX 8.0 案例教程——基于工作过程[M].北京:清华大学出版社,2012.

[5]张绍群,王泽河.机械制图[M].北京:机械工业出版社,2013.

TP205

A

1672-1047（2017）06-0120-03

10.3969/j.issn.1672-1047.2017.06.36

2017-11-09

黄冈职业技术学院科研项目“ZJK7532数控钻铣床改造工艺研究”（2016C2022113）。

曹明顺，男，山东金乡人，讲师，高级技师。研究方向：数控技术及软件应用。

刘良瑞]