數控機床故障診斷模擬教學(xué)實(shí)驗臺的設計與開(kāi)發(fā)

目前隨著(zhù)航空航天、模具制造、汽車(chē)等技術(shù)的不斷發(fā)展，使數控機床成為制造業(yè)中*的加工設備。數控機床由于具有率、高質(zhì)量、高速度、高可靠性等特點(diǎn)，在自動(dòng)化加工領(lǐng)域的占有率越來(lái)越高。而數控機床在長(cháng)期運轉加工中不可避免會(huì )出現各種故障，因此對數控機床維修調試的高技能人才需求也越來(lái)越多。傳統的數控機床維修高技能人才的培養是由師徒模式進(jìn)行的，顯然無(wú)法滿(mǎn)足當前市場(chǎng)需求。高校要培養出實(shí)踐動(dòng)手能力很強的數控維修高技能人才，需要集教學(xué)、實(shí)驗于一體的數控機床故障診斷模擬實(shí)驗設備。而由于數控機床價(jià)格昂貴，無(wú)法在教學(xué)中普遍使用，需結合現有數控實(shí)驗設備，設計并開(kāi)發(fā)數控機床故障診斷模擬實(shí)驗臺，對學(xué)生進(jìn)行專(zhuān)業(yè)性、實(shí)踐性都很強的數控教學(xué)。
一、實(shí)驗臺總體設計
本文采用西門(mén)子SINUMERIK 802D數控系統，開(kāi)發(fā)研制了數控調試維修實(shí)驗臺。它側重于機床各部件的電氣連接、各種信號測量、性能監控、調試維修、故障設置及排除、PLC程序設
計、NC調試等實(shí)驗。對于數控機床的電氣、診斷、調試等方面的實(shí)訓教學(xué)，需要實(shí)驗臺具有開(kāi)放式的特點(diǎn)，便于學(xué)生學(xué)習和理解。因此在教學(xué)實(shí)驗臺的設計思路中考慮設計一個(gè)開(kāi)放的電氣柜，便于學(xué)習和掌握CNC數控系統的硬件連接、電氣設計、梯形設計、參數設置、故障診斷等多方面數控知識。本數控實(shí)驗臺的設計采用了開(kāi)放式、模塊化的設計思想，盡可能多將數控機床的電器元件、組成等在實(shí)驗臺上展示出來(lái)，使學(xué)生對數控機床的電器元件、數控機床組成等有一個(gè)整體的認識，便于更好地完成數控人才培養的任務(wù)。
二、實(shí)驗臺硬件配置
1.數控系統選型
常見(jiàn)的數控系統有FANUC、SIEMENS、施耐德、華中等類(lèi)型。其中西門(mén)子公司的SINUMERIK 802D數控系統集成NCK、PLC、HMI于一體，具有功能強大、技術(shù)先進(jìn)、性能完善、保護
性好、開(kāi)放性好、通用性好等特點(diǎn)，通過(guò)PRO-FIBUS連接各部SIMODRIVE 611U數字驅動(dòng)系統，可控制4個(gè)進(jìn)給軸、1個(gè)數字或模擬主軸，是一款高性能、低價(jià)位的數控系統。由于本文設計的實(shí)驗臺要實(shí)現銑床功能，即1個(gè)主軸和3個(gè)進(jìn)給軸，故選擇SINUMERIK 802D作為數控調試維修實(shí)驗臺的數控系統。
2.電機選型
伺服電機作為數控機床驅動(dòng)坐標運動(dòng)的執行部件，不僅具有恒定輸出轉矩特性，而且還具有非常強的過(guò)載能力。伺服電機選型的主要依據是機床的設計性能指標，如進(jìn)給軸的zui高速度、加速度、主軸功率和調速范圍以及機床實(shí)際應用條件，如切削的材料、加工工藝參數、使用的刀具等條件。由于本文設計的數控維修實(shí)驗臺不進(jìn)行實(shí)際的加工切削，且電機的工作制是短時(shí)工作制，即短時(shí)定額。因此，選配的電機型號分別為：主軸，1PH7107-2NF02-0CA0；X軸，1FK7060-F71-1AG0；Y軸，1FK7060-F71-1AG0；Z軸，1FK7063-F71-1AH0。
3.模塊設計與組成
根據教學(xué)需要，為便于學(xué)生全面理解數控知識，在實(shí)驗臺的設計中，將實(shí)驗臺按功能分割成六個(gè)開(kāi)放式的功能模塊，分別為伺服驅動(dòng)模塊、電器部分、模擬刀庫模塊、I/O模塊、數控裝
置和實(shí)驗板。
（1）伺服驅動(dòng)模塊。與數控系統802D匹配的伺服驅動(dòng)裝置是Simodrive611U E系列伺服驅動(dòng)器，包括電源模塊和功率模塊。其中功率模塊采用雙軸模塊，電源模塊設為三相400V±10%，使驅動(dòng)系統可在360V到440V范圍內正常工作。進(jìn)給軸選用1FK7系列伺服電機，主軸選用1PH7系列主軸電機。在伺服驅動(dòng)模塊上預留了可供測量使能信號及編碼器信號的插孔，方便學(xué)生在實(shí)驗中測量各信號的狀態(tài)并進(jìn)一步理解伺服驅動(dòng)工作過(guò)程。
（2）電器部分。數控機床的電路有主電路和控制電路。主電路可實(shí)現電能的分配、短路保護、過(guò)載保護等功能，控制電路可實(shí)現機床照明、冷卻潤滑等。該模塊為數控機床的主電路，用來(lái)展示機床強電控制原理。
（3）模擬刀庫模塊。本實(shí)驗臺具有銑床功能，沒(méi)有刀庫，為了增加實(shí)驗臺的應用功能，節約成本，特設計了該模塊，實(shí)現加工中心的自動(dòng)換刀功能。
（4）I\O模塊。I\O模塊主要是把機床電器部件通過(guò)分線(xiàn)器與手輪和機床側信號相連，來(lái)展示機床上的行程開(kāi)關(guān)、霍爾開(kāi)關(guān)和機床操控面板開(kāi)關(guān)等信號。在I\O模塊上設計了開(kāi)關(guān)按鈕，可進(jìn)行機床常見(jiàn)故障設置，同時(shí)在實(shí)驗臺的I/O模塊上預留了機床側的部分信號接插孔，用于接線(xiàn)及測量信號狀態(tài)，查找機床故障原因。
（5）數控裝置模塊。選用西門(mén)子802D數控系統，其計算機數控裝置CNC與顯示器集成為一體，數控裝置前面有可以作為數據存儲的PCMCIA卡插口。
（6）實(shí)驗板。實(shí)驗板設有故障設置模塊，用于在實(shí)驗或考核過(guò)程中人為設置故障。操作人員可以手動(dòng)操作故障設置模塊上的各故障開(kāi)關(guān)，設置不同的故障。故障設置模塊也可以和計算機相連，通過(guò)的計算機軟件設置故障，實(shí)驗臺上能夠實(shí)時(shí)顯示當前的故障點(diǎn)。本實(shí)驗臺共設置了23個(gè)按鈕，對應不同的機床故障設置，各按鈕對應的故障內容如表1所示。
表1 機床故障設置對照表
 

三、實(shí)驗臺調試
按照設計要求正確安裝并連接數控系統的硬件后，需進(jìn)行數控系統調試。調試內容包括：PLC應用程序、驅動(dòng)器參數調試和數控系統的基本參數調試。
數控系統通電檢查無(wú)誤后，可進(jìn)行PLC應用程序的調試，以實(shí)現PLC相關(guān)功能正常運行。本實(shí)驗臺主要對數控系統工作方式選擇、進(jìn)給倍率的選擇、急停、坐標軸手動(dòng)控制、主軸手動(dòng)控
制、手輪控制等PLC程序進(jìn)行調試。調試方法如下：
（1）利用準備好的“802D調試電纜”將計算機和802D的COM1連接起來(lái)。802D必須進(jìn)入聯(lián)機方式：系統→PLC→STEP7連接→設定通訊參數→選擇“連接開(kāi)啟”。計算機啟動(dòng)PLC編程工具，進(jìn)入通訊畫(huà)面，設定通訊參數，如波特率等。
（2）編譯PLC應用程序，并利用PLC編程工具軟件將該應用程序下載到802D中。
（3）啟動(dòng)PLC應用程序，可利用監控梯形圖的狀態(tài)，也可利用“交叉引用表”來(lái)檢查是否有地址沖突。將設計好的PLC程序通過(guò)RS232通訊電纜下載到802D系統中，進(jìn)行調試，802D系統不支持PLC程序的修改，所以要修改PLC程序需將其上載到計算機內再進(jìn)行修改，重復上述過(guò)程進(jìn)行調試，直到成功為止。
PLC應用程序的基本功能調試完畢后，數控系統可在模擬方式下進(jìn)行模擬操作。
四、實(shí)驗臺功能
為了在教學(xué)中使學(xué)生熟悉數控機床常見(jiàn)故障種類(lèi)并掌握數控機床常見(jiàn)故障的排除方法，本文設計的實(shí)驗臺可進(jìn)行數控數控機床故障設置與診斷實(shí)驗，如數控系統無(wú)法啟動(dòng)、數控機床驅動(dòng)無(wú)法得電、故障板設置故障等。
（1）數控系統無(wú)法啟動(dòng)實(shí)驗。
故障現象：上電后，按下系統啟動(dòng)鍵，數控系統沒(méi)有反應。
故障排查：檢查實(shí)驗板上各個(gè)電路空氣開(kāi)關(guān)是否合閉，特別是數控系統控制空開(kāi)的狀態(tài)，若有未合閉空開(kāi)，合上電源，故障將排除。若無(wú)上述故障，從數控系統端開(kāi)始用萬(wàn)用表檢查電
路是否接通，檢查出未連接牢固的接線(xiàn)端子，接好電路。故障排除后，系統重新上電。
（2）數控機床驅動(dòng)無(wú)法得電。
故障現象：開(kāi)機后，數控機床驅動(dòng)部分無(wú)電壓。
故障排查：斷開(kāi)模擬電壓+/-10V端。1）按“自動(dòng)方式” →鍵入“M03S500” →按“回車(chē)/輸入”鍵→按“數控啟動(dòng)”鍵。2）主軸不運轉，觀(guān)察I/O模塊演示板的Q0.0的紅色指示燈是否亮，亮著(zhù)表示正轉有效。3）重復步驟1，主軸運轉。
（3）故障板設置故障并排除。
故障設置：按下故障板上任意一個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕后，機床某個(gè)功能不能實(shí)現。例如各種限位開(kāi)關(guān)、減速開(kāi)關(guān)、各種按鈕的故障等。
故障排查：根據故障現象，查找相對應開(kāi)關(guān)按鈕，重新操作機床，故障排除。
五、小結
本文設計并開(kāi)發(fā)了基于SINUMERIK 802D數控系統的數控機床故障診斷模擬教學(xué)實(shí)驗臺，并進(jìn)行了子系統連接與調試。
該數控實(shí)驗臺采用了開(kāi)放性和模塊化的結構設計理念，盡可能把數控機床的電氣部件在綜合實(shí)驗臺上展示，讓學(xué)生對數控機床電氣組成、運行機制有一個(gè)整體概念。利用該實(shí)驗臺可進(jìn)行各種機床故障設置實(shí)驗，學(xué)生可以自己動(dòng)手操作，對數控機床的各個(gè)環(huán)節理解更加透徹。實(shí)踐證明，該實(shí)驗臺對數控技術(shù)實(shí)踐教學(xué)有很好的促進(jìn)作用，有利于為社會(huì )培養更多的數控技術(shù)人才。從長(cháng)遠看，將該實(shí)驗臺用于高校實(shí)踐教學(xué)中具有較好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益