机床数控化改造及其在教学中的应用

摘 要: 实践教学环节在高职课程中对学生能力的培养发挥了重要作用,本文作者对数控专业已有的CA6132通用车床进行西门子802D数控化改造和在具体实践教学过程中的应用进行了探讨。对如何利用现有设备更好地服务教学的改革,合理安排实践教学内容,发挥实践教学的功能,培养适合数控专业发展的高素质人才进行了探讨。

关键词: 机床数控化改造 西门子802D 专业教学 应用

一、机床数控化改造的意义

数控机床改造是提高制造业技术水平的重要途径之一[1],大量的生产实践证明数控机床改造具有很强的实用性、经济性和可靠性。在高职院校中有很多旧机床和数控设备,由于使用时间长,无法满足技术的进步和产品革新的要求,购置数控机床或对旧机床进行数控化改造是解决这类问题的主要途径之一。但购买新型数控机床价格昂贵,闲置通用机床又会造成浪费。对旧机床进行数控改造,对学生讲授数控技术改造相关知识,与国家培养高技能型人才的要求相一致,符合工学结合的培养目标,企业对机床改造也非常重视,对这类人才需求更是强烈。所以选择数控系统对一些利用率低的通用机床进行改造势在必行。

二、教学中存在的问题

《机床电气装调》是数控专业一门理实一体化教学课程[2]。学生通过系统的学习,能够理解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的方法,同时能培养一定的数控机床电气维修单项技能。原有的教学设备是用于电气连接调试的控制板,实践教学的安排主要从电气元件的识别与选用、PLC模块的接口与连接等方面入手培养学生的实践能力。教师上课只能在模拟的电气操作面板上进行演示,不能在真实的机床上进行具体的真实的工作任务,因而学生无法在真实的数控机床上对电气控制系统所控制设备的各项功能进行调试。还有一个更核心的问题就是教学是面对一个班级几十名的学生,即使学校配备专门用于电气装调的数控机床实训设备在教学中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,在真实的数控机床上进行机床电气控制系统装调训练。

三、数控化改造的内容

为了解决专业教学中这一情况,同时有效利用学校已有闲置资源,在进行充分调研的基础上对专业已有设备CA6132车床进行数控化改造,改造的主导思想是数控化改造后的机床能在今后的教学中发挥最大的效果,能够达到使用一台数控机床就可提供一个整班实施本课程的实训的配套设备与环境。所以在机床改造时,首先要作全面配套改造的设想,绝不能搞局部改造。要利用现有资源节约成本,同时要采用针对教学的机床结构设计,电气元件的安装,接口信号的端子安排都要求进行最大限度的整合,最大限度地满足教学和科研的需要。

1.改造方案的确定

在改造方案的综合设想中,从全面配套考虑提出下列改造内容:(1)数控系统选用西门子802D。(2)机床电气柜改用PLC控制;SINUMERIK 802D集成了内置PLC系统,对机床进行逻辑控制。(3)配置机床电气操作面板。(4)重新对机床电器进行布线。(5)更换刀库部件,采用LD4B-CK6163型电动刀架。(6)进给伺服系统中用交流伺服电动机,机械连接采用电机与丝杠副通过联轴节带来传动。(7)用滚珠丝杠副代替原滑动丝杠副。(8)液压冷却系统作相应调整,去除多余的管路。(9)设计新型防护罩板。

2.数控系统的选择

数控系统的选择应根据改造后所要达到的精度、各种性能指标等选用性价比合适、技术先进的数控系统,当然还要考虑改造好设备在教学中的应用。目前市场上生产研发数控系统的厂家很多,在国外有德国的SIEMENS公司、日本的FANUC公司,在国内有华中数控设备有限公司等。数控系统所具有的功能要与准备改造的数控机床所能达到的功能相匹配,尽量避免系统功能过剩,同时考虑到专业已有数控机床的配置缺少SIEMENS数控系统,无法正常进行有关SIEMENS数控系统的教学,经综合考虑选用西门子802D数控系统[2]。

西门子802D数控系统是西门子公司2000年推出的经济型数控系统:核心部件PCU将CNC、PLC、人机界面和通讯等功能集成于一体,可以控制四个进给轴和一个模拟或者数字信号的主轴;模块化的驱动装置SIMODRIVE 611UE[3];可以配置两个I/O板,与驱动装置都通过生产现场总线连接;此外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。在改造过程中,为达到最好的控制效果,进给轴采用了配套的1FK6交流伺服电机,主轴采用普通三相交流异步电机,采用变频器(MM420)来驱动主轴电机。802D输出±10V的模态信号经伺服驱动器使主轴电机获得不同转速。

3.电气控制系统设计改造

原有机床的机械部件和液压部件长时间使用后仍能保持很高的精度和稳定性,但电器元件使用寿命短,长时间使用后经常发生故障。因此需要设计接口转换电路和强电控制电路。电路中的控制变压器、中间继电器和交流接触器等需设计强电控制箱。

(1)电气控制系统设计的原则

首先机床改造后要满足整班学生电气装调的要求,其次要根据机床各项控制目的和要求,制定电气控制方案。设计方案要求简单经济,操作容易,使用维修方便,同时要选择合适的电器元件。

(2)电气控制系统设计的内容

系统设计内容一是选择控制方式,包括电源、继电器、主轴单元、输入/输出、伺服驱动电路图,也包括确定电动机的类型、型号、容量、转速;二是针对教学应用的特点,把教学中需要学生完成的电气装调内容单独列出来,设计电气原理图,制作电气安装板,各项控制功能通过航空插头传输到改造好的数控机床上来实现,电气调试到满足数控车床的各项控制功能至正常,这样就可以在真实的数控机床上检验学生电气装调的成果。表一描述了各个插头的线号和对应的导线连接功能。X1插头用39号红色导线和40号黄色导线连接机床工作灯,X2插头连接机床冷却泵,X3用插头连接机床集中部件,X4插头连接机床刀架部件,X5插头连接机床PCU与NC信号,X6插头连接数控车床X轴与Z轴超程限位,X7插头对数控车床驱动器与变频器信号进行传输。通过这样信号传输就可以把机床的一些电气控制功能单独从电路控制中提取出来,单独制作电气安装板,这样改造好的一台数控车床就可以配备多台电气控制板,平常可以进行正常的数控加工任务,在教学中又可以让学生在控制板上进行电气装调训练,按完成先后在改造好的CK6132数控车床上进行机床电气装调训练。

4.PLC程序设计与调试

采用SIEMENS 802D系统所使用PLC非常简单、方便灵活。我们使用S7-200作为编程工具,参照系统自带的工具盒(Tool box)中配备的“PLC802文件库”,在应用过程中对其车床的编程实例作一些简单的修改和扩展就可完成所需要的PLC程序。在子程序中,根据不同功能分别进行了定义,主要包括PLC-INI(系统初始化)、EMG-STOP(急停处理)、MCP-802D(传送控制面板I/O状态到接口)、AXES-CTL(各坐标轴控制)、LUBRICAT(定时、定量控制)、COOLING(冷却控制)等。

四、改造后数控车床CK6132在教学中的应用

针对“教学做一体”教学模式实施中支持环境与系统薄弱的不足,研制的数控加工操作与电气维修培训一体机解决了机床电气装调实训设备配套经费昂贵的瓶颈问题,仅需投入少量经费,就可利用现有旧机床改造获得可供一个整班实施本课程的实训的配套设备与环境。改造后的数控车床在满足正常加工工作任务外,还可以进行下列实验实训的安排:(1)SINUMERIK 802D数控车床电气装调基本连接,(2)SINUMERIK 802D系统的基本数据设置;(3)SIMODRIVE 611U伺服驱动配置与优化;(4)SINUMERIK 802D数控系统的数据保护;(5)机床故障模拟与诊断等方面的内容。

五、结语

以上是对通用车床结合教学实际进行数控化改造的实例,机床的数控化改造可以提高高职院校中设备的利用率[4],更重要的是在数控化改造过程中可以根据教学内容安排需要合理进行设备的改造过程,提高教师的现场动手技能,也便于在今后教学活动中进行教学组织,而且机床改造完成后,图纸(包括原理图、配置图、接线图、梯形图等)、资料(包括各类说明书)、软件(调试软件、通讯软件)等资源也是今后教学的宝贵财富,有利于教师充实教学内容。

参考文献:

[1]高杉,赵波.普通机床的数控改造策略,辽宁省交通高等专科学校学报,2009,(6):40-41.

[2]李南,张博等.西门子802D数控系统在DPS1800车床数控改造中的应用,机床与液压,2009,(5):181-182.

[3]陈平信.西门子系统与数控机床改造,中国设备工程,2008,(12):12-16.

[4]曹霞,黄志荣.数控加工中心改造及教学改革,考试周刊,2009,(19):38-39.

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