普通机床数控化改造理实一体化探讨.pdf

机械研究与应用 经验交流 普通机床数控化改造理实一体化探讨 张 兴 旺 江 苏省联合技术 学院 无锡交通分院， 江苏 无锡2 1 4 0 4 6 摘要 对普通机床的数控化改造作为数控技术专业课程教学中的实践环节的应用进行了探讨， 并对利用现有设备 实现专业课理实一体化教学改革， 发挥实践教学在培养适合数控专业发展的高技能、 高素质人才的意义进行 了探讨 。 关键词 数控机床 ；数控化改造 ； 数控 系统 ； 理实一体 ； 应用 中图分类号 G 7 1 8 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 - 4 4 1 4 2 0 1 1 0 4 - 0 1 1 3 - 0 3 The a pp l i c atio n o f NC t r a ns f o r m a t i o n o n m a c hi n e t o o l s i n t he pr ac tic e t e a c hing Z h a n g Xi n g -wa n g Wu x i l nst i t at e o fc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y ， W u x i J i a n g s u 2 1 4 0 6 2 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，g e n e r a l t r a n s f o r ma t i o n o f t h e N C ma c h i n e t o o l n u me ri c a l c o n t r o l t e c h n o l o g y a s a t e a c h i n g p r o f e s s i o n al C O U r S e s i n t h e a p p l i c a t i o n o f t h e p r a c t i c e s e s s i o n a r e d i s c u s s e d，An d r e a s o n a b l e u s e o f e x i s t i n g e q u i p me n t t o a c hie v e r e al i n t e g r a t i o n o f t e a c h i n g s pe c i a l i z e d c o u r s e s t o p l a y p r a c t i c e t e a c h i n g i n t h e p r o f e s s i o n a l d e v e l o p me n t t r a i n i n g f o r s k i l l e d C NC，t h e s i g n i fi c anc e o f h i s h - q u a l i t y p e r s o n n e l ti r e d i s c u s s e d ． Ke y wo r d s ma c h i n e t o o l s ； NC t r a n s f o rm a t i o n； n u me r i c al c o n t rol s y s t e m ； i n t e g r a t i o n o f t h e o r y an d p r a c t i c e ；a p p l i c a t i o n 1 前言 普通机床的数控化改造， 是在原有普通机床的基 础上， 顺应市场需求而设计配置相应的数控系统， 并 对机床的某些机械、 电气部位进行一定的改造， 使其 具有数控加工能力。实践证明， 对机床实施数控化改 造已成为一些企业提高自身自动化程度的有效手段， 具有较强的实用性、 经济性和可靠性 J 。 目前 的很多高职院校都设有数控技术专业 ， 在进 行相关专业课程的教学时 ， 常因缺乏理实一体教学情 境和教学条件而难以获得期望的教学效果。如果在 专业课程教授的不 同阶段穿插普通机床数控化 改造 实践的各环节内容， 并贯穿于整个学习过程， 实现理 实一体化教学。另一方面， 商业数控机床昂贵， 操作 使用和维修费用高， 而高职院校的数控教学与培训资 金不足， 难以将其用作教学和培训设备。因此依靠现 有条件， 将普通机床改造成教学型数控机床是解决这 些 问题 ， 适应教学改革形势发展的有效途径。笔者以 机床数控常识 课程为例， 从以下几方面探讨普通 机床数控化改造在理实一体化教学中的应用。 2 普 通机床数控化 改造教 学实践过 程 普通机床的数控化改造是根据生产的实际要求 提出的， 改造可使机床达到一定的柔性， 提高生产效 率和质量， 解决复杂零件的加工问题为目的， 机床改 造的一般步骤是 ①明确数控改造的任务和目标， 由 明确的技术经济指标和工艺 目的确定改造的对象和 技术要求， 编写出设计任务书， 作为设计的原始依据； ②总体方案设计， 包括系统运动方式的确定， 伺服系 统的选择， 执行机构的结构及传动方式的确定 ， 计算 机系统的选择等内容， 力求做到使技术的先进性与经 济的合理性较好地统一起来； ③设计计算及结构改 装 ， 根据改造后机床的加工工艺范 围， 计算进给系统 需要的功率和力矩 等， 以选择数控系统及驱 动元件 ； ④制造、 安装 、 调试 ， 这是改造的关键之一 ， 而这一过 程也是将理论与实践教学充分结合 的一个阶段 。 由此可见 ， 在数控化改造的进程 中， 完全可 以根 据需要 ， 将其安排在课程教学 的各个环节。例如 ， 可 在数控技术概述的单元作数控机床特点的描述， 并由 此确定实现数控机床优点的部件及原因， 引人其与普 通机床在结构及性能上的比较 。随着课程的深入 ， 逐 步将精度恢复及机械传动系统改造， 数控系统的选择 及连接， 伺服驱动装置与检测装置， P L C连接及程序 执行过程和工作原理一直到安装调试等改造的内容 贯穿到相关单元 的教学过程中。 3 数控化改造的关键技术正是课程核心内容 在实践应用中的体现 为适应数控技术发展， 培养出满足企业需要的高 级技术人才， 形成以培养 目标为中心， 实验、 实习实 训、 课程设计为支撑的实践性教学环节 。基于此 ， 普 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 3 0 作者简介 张兴旺 1 9 7 0 - ， 女， 湖南双峰人， 讲师， 研究方向 机械制造与自动化。 l l 3 经验交流 机械研究与应用 通机床数控化改造中的一些关键技术正是数控系统 及其应用和数控机床机械结构等核心内容在实践应 用中的体现。 3 ． 1 数控系统类型的选择是数控系统组成和工作原 理的实践应用 数控系统是机床的核心， 认识数控系统， 掌握数 控系统 的特点和工作原理是数控技术应用课程的重 要知识点。数控系统主要有三种类型 ①步进电机拖 动的开环系统 ， 该系统结构简单 ， 调试维修方便 ， 工作 可靠， 成本低， 易改装成功； ②异步电动机或直流电机 拖动 ， 光栅测量反馈 的闭环数控系统 ， 该系统在结构 上比开环进给系统复杂 ， 成本也高 ， 对环境 室温要求 严 ， 设计和调试都 比开环系统难 ， 但是可 以获得 比开 环进给系统更高的精度 ， 更快的速度 ， 驱动功率更大 的特性指标 ， 改造时可根据产品技术要求， 决定是否 采用这种系统； ③交／ 直流伺服电机拖动， 编码器反馈 的半闭环数控系统， 它的精度比闭环系统的精度低， 但是它的结构与调试都较闭环系统简单， 在将角位移 检测元件与速度检测元件和伺服 电机作成一个整体 时则无需考虑位置检测装置的安装问题。 合理选择数控系统是数控化改造成功的重要环 节。数控化改造的目的是机床运行的稳定可靠， 为 此 ， 选择数控系统要价格合理、 技术先进 ， 同时注意数 控系统的功能选择， 不单纯追求数控系统的高性能指 标。教学用数控机床一般改造成经济型， 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， 以保证顺利用于教学使用。在对各种类型 的数控系统有详细的掌握之后进行数控化改造， 数控 系统选择的实践可以让学生有更多的思考和体会。 3 ． 2 数控系统的开发是课程知识应用更高要求的体现 在机床数控化改造中， 应根据不同的工况和用户 要求来确定是自行开发还是选用市场上现有的数控 系统 [ 2 】 。自行开发数控系统要兼顾 满足当前改造 的 使用要求与日后功能拓展的使用要求， 若用于教学， 大多采用 M C S 一 5 1系列的单片机组成的应用系统。 如F A N U C数控系统， 它以高质量、 低成本、 高性能、 较全面的功能， 适用于各种机床和生产机械， 在市场 的占有率远远超过其它数控系统 J 。S I E M E N S 数控 系统以其较好的稳定性和较优的性价比， 被我国数控 机床行业广泛应用 】 。国产数控系统如华中 C N C系 统， 是由北京机床研究所和北京航空航天大学联合开 发的一种通用的高性能 C N C系统平台， 在此系统平 台上毋需改变系统任何软、 硬件结构， 即可配置各种 实用 C N C系统， 适用不同类型数控的应用要求 。 目 前数控系统的开发有 ①专用 C N C P C机结 构的“ P c嵌人 N C ” 式开放式数控系统； ②基于工业 1 1 4 P C 运动控制卡结构的“ N C嵌人 P C ” 式开放 式智 能 数控系统； ③全软件型的“ S O F T ” 型开放式数控系统。 其中， “ N C嵌入 P C” 式数控系统是 目前开发较简单 、 性能较好且不断被采用的一种结构形式 J 。其标准 的P C硬件和操作系统， 易于进行模块化和开放式设 计 ； 采用工业 P C机 运动控制器 组成结构， 工业 P C 机完成对数控代码进行转换， 速度计算， 发出控制命 令给运动控制卡以及控制整个数控系统的运行 ， 运动 控制卡一方面与伺服系统相连， 发出脉冲信号， 精确 地控制数控机床的运动轨迹 ， 另外与 P L C相连 ， 控制 数控加工过程中的逻辑操作。在开发方法上 ， 可采用 V C等开发工具 ， 利用模块化的方法进行开发。 根据高职学生的技能水平和要求， 在进行数控化 改造时， 选择具体的实践内容与数控系统及应用理论 的阐述相结合 ， 深入浅 出， 可 以减少甚至免去复杂的 数学推导 ， 系统全面地介绍数控系统。 3 ． 3 主要机械部件改装是掌握数控机床机械结构与 传动原理的捷径 对普通机床进行数控化改造 ， 关键技术在于对机 床精度的恢复。旧机床一般已工作多年， 其中导轨、 溜板等都有不同程度的磨损。在有条件的情况下 ， 按 常规机床大修的方法对机床导轨进行磨削 ， 磨削量 以 保持床面有一定的表面硬化层为宜。若 旧机床磨损 严重 ， 磨削后的表面硬化层已去除 ， 则可采用电刷镀 的方法加工耐磨表层‘ 。 。与床身相 匹配 的溜板 ， 一 般可采用刮研 的方法修配以恢 复精度。在导轨磨损 量较大的情况下 ， 也可采用贴塑工艺恢复机床导轨精 度。主轴精度的修复是改造机床维修的另一个侧重 点， 可采用更换主轴轴承等传统方法配合 电刷镀工艺 完成 。普通机床在实施数控化改造时， 往往取消 原进给箱或换成具有减速功能的进给箱， 传动元件问 需增设间隙调整装置， 以提高其反向精度 J 。 理解学生在实践中对数控机床的机械系统结构 要求及特点、 数控机床主运动部件、 进给运动系统 、 导 轨副、 支撑件等都会有进一步的掌握和理解 ， 真正体 现了在做 中学 ， 在学中做 。 4 用 S I N U ME R I K 8 0 2 D改造 X 5 3铣床应用 学中实例 铣床的应用十分广泛， 但加工精度较低， 机床调 整费事， 所以对铣床进行数控化改造较多 。例如 ， 可以选用 S I E M E N S 8 0 2 D数控系统对 X 5 3 铣床进行 数控化改造， 而 S I N U M E R I K 8 0 2 D集成了内置 P L C 系统， 从而机床电气柜即可改用 P L C控制。通过对 机床电器重新布线， 配置机床电气操作面板， 采用 L D 4 B C K 6 1 6 3型电动刀架更换刀库部件 ， 用交流伺服 电动机的进给伺服系统 ， 用滚珠丝杠副代替原滑动丝 机械 研究与应用 杠副， 调整液压冷却系统 ， 设计安装防护罩板等工作 ， 最终完成改造。改造后的数控铣床在满足正常操作 实训任务外 ， 还可 以进行数控 铣床 电器装调基本 连 接、 伺服驱动配置等实验实训的安排。 5 结语 在教学实践 的实际进程中， 进行机床数控化改造 要有针对性 ， 可将改造 的重 点放在数控系统 的改造 上， 机械部分只对影响精度的重点部件进行改造， 这 样可缩短改造周期， 降低改造成本， 也利于对系统进 行再次升级。机床的数控化改造可提高高职院校中 设备的利用率 ， 而且在数控 化改造过程 中， 可根据教 学内容安排 的需要 ， 合理进行 机床数控化改造 的阶 段， 不仅可以提高教师的实践技能， 也便于教学活动 中进行教学组织， 改造完成后的图纸、 资料、 软件等资 源经过系统的梳理之后 ， 也将成为今后教学中的宝贵 财富。 经验交流 参考文献 [ 1 ] 谢勇． 我国机床数控化市场浅析[ J ] ． 兵工 自动化． 2 0 0 8 ， 2 7 1 2 8 1 - 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