數控機床故障診斷模擬教學實驗臺的設計與開發

目前隨著航空航天、模具制造、汽車等技術的不斷發展，使數控機床成為制造業中*的加工設備。數控機床由于具有率、高質量、高速度、高可靠性等特點，在自動化加工領域的占有率越來越高。而數控機床在長期運轉加工中不可避免會出現各種故障，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行的，顯然無法滿足當前市場需求。高校要培養出實踐動手能力很強的數控維修高技能人才，需要集教學、實驗于一體的數控機床故障診斷模擬實驗設備。而由于數控機床價格昂貴，無法在教學中普遍使用，需結合現有數控實驗設備，設計并開發數控機床故障診斷模擬實驗臺，對學生進行專業性、實踐性都很強的數控教學。
一、實驗臺總體設計
本文采用西門子SINUMERIK 802D數控系統，開發研制了數控調試維修實驗臺。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調試等實驗。對于數控機床的電氣、診斷、調試等方面的實訓教學，需要實驗臺具有開放式的特點，便于學生學習和理解。因此在教學實驗臺的設計思路中考慮設計一個開放的電氣柜，便于學習和掌握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。本數控實驗臺的設計采用了開放式、模塊化的設計思想，盡可能多將數控機床的電器元件、組成等在實驗臺上展示出來，使學生對數控機床的電器元件、數控機床組成等有一個整體的認識，便于更好地完成數控人才培養的任務。
二、實驗臺硬件配置
1.數控系統選型
常見的數控系統有FANUC、SIEMENS、施耐德、華中等類型。其中西門子公司的SINUMERIK 802D數控系統集成NCK、PLC、HMI于一體，具有功能強大、技術先進、性能完善、保護
性好、開放性好、通用性好等特點，通過PRO-FIBUS連接各部SIMODRIVE 611U數字驅動系統，可控制4個進給軸、1個數字或模擬主軸，是一款高性能、低價位的數控系統。由于本文設計的實驗臺要實現銑床功能，即1個主軸和3個進給軸，故選擇SINUMERIK 802D作為數控調試維修實驗臺的數控系統。
2.電機選型
伺服電機作為數控機床驅動坐標運動的執行部件，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，如進給軸的zui高速度、加速度、主軸功率和調速范圍以及機床實際應用條件，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驗臺不進行實際的加工切削，且電機的工作制是短時工作制，即短時定額。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
根據教學需要，為便于學生全面理解數控知識，在實驗臺的設計中，將實驗臺按功能分割成六個開放式的功能模塊，分別為伺服驅動模塊、電器部分、模擬刀庫模塊、I/O模塊、數控裝
置和實驗板。
（1）伺服驅動模塊。與數控系統802D匹配的伺服驅動裝置是Simodrive611U E系列伺服驅動器，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%，使驅動系統可在360V到440V范圍內正常工作。進給軸選用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，方便學生在實驗中測量各信號的狀態并進一步理解伺服驅動工作過程。
（2）電器部分。數控機床的電路有主電路和控制電路。主電路可實現電能的分配、短路保護、過載保護等功能，控制電路可實現機床照明、冷卻潤滑等。該模塊為數控機床的主電路，用來展示機床強電控制原理。
（3）模擬刀庫模塊。本實驗臺具有銑床功能，沒有刀庫，為了增加實驗臺的應用功能，節約成本，特設計了該模塊，實現加工中心的自動換刀功能。
（4）I\O模塊。I\O模塊主要是把機床電器部件通過分線器與手輪和機床側信號相連，來展示機床上的行程開關、霍爾開關和機床操控面板開關等信號。在I\O模塊上設計了開關按鈕，可進行機床常見故障設置，同時在實驗臺的I/O模塊上預留了機床側的部分信號接插孔，用于接線及測量信號狀態，查找機床故障原因。
（5）數控裝置模塊。選用西門子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）實驗板。實驗板設有故障設置模塊，用于在實驗或考核過程中人為設置故障。操作人員可以手動操作故障設置模塊上的各故障開關，設置不同的故障。故障設置模塊也可以和計算機相連，通過的計算機軟件設置故障，實驗臺上能夠實時顯示當前的故障點。本實驗臺共設置了23個按鈕，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，需進行數控系統調試。調試內容包括：PLC應用程序、驅動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誤后，可進行PLC應用程序的調試，以實現PLC相關功能正常運行。本實驗臺主要對數控系統工作方式選擇、進給倍率的選擇、急停、坐標軸手動控制、主軸手動控
制、手輪控制等PLC程序進行調試。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。802D必須進入聯機方式：系統→PLC→STEP7連接→設定通訊參數→選擇“連接開啟”。計算機啟動PLC編程工具，進入通訊畫面，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PLC應用程序，可利用監控梯形圖的狀態，也可利用“交叉引用表”來檢查是否有地址沖突。將設計好的PLC程序通過RS232通訊電纜下載到802D系統中，進行調試，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行修改，重復上述過程進行調試，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行模擬操作。
四、實驗臺功能
為了在教學中使學生熟悉數控機床常見故障種類并掌握數控機床常見故障的排除方法，本文設計的實驗臺可進行數控數控機床故障設置與診斷實驗，如數控系統無法啟動、數控機床驅動無法得電、故障板設置故障等。
（1）數控系統無法啟動實驗。
故障現象：上電后，按下系統啟動鍵，數控系統沒有反應。
故障排查：檢查實驗板上各個電路空氣開關是否合閉，特別是數控系統控制空開的狀態，若有未合閉空開，合上電源，故障將排除。若無上述故障，從數控系統端開始用萬用表檢查電
路是否接通，檢查出未連接牢固的接線端子，接好電路。故障排除后，系統重新上電。
（2）數控機床驅動無法得電。
故障現象：開機后，數控機床驅動部分無電壓。
故障排查：斷開模擬電壓+/-10V端。1）按“自動方式” →鍵入“M03S500” →按“回車/輸入”鍵→按“數控啟動”鍵。2）主軸不運轉，觀察I/O模塊演示板的Q0.0的紅色指示燈是否亮，亮著表示正轉有效。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開關按鈕后，機床某個功能不能實現。例如各種限位開關、減速開關、各種按鈕的故障等。
故障排查：根據故障現象，查找相對應開關按鈕，重新操作機床，故障排除。
五、小結
本文設計并開發了基于SINUMERIK 802D數控系統的數控機床故障診斷模擬教學實驗臺，并進行了子系統連接與調試。
該數控實驗臺采用了開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驗臺上展示，讓學生對數控機床電氣組成、運行機制有一個整體概念。利用該實驗臺可進行各種機床故障設置實驗，學生可以自己動手操作，對數控機床的各個環節理解更加透徹。實踐證明，該實驗臺對數控技術實踐教學有很好的促進作用，有利于為社會培養更多的數控技術人才。從長遠看，將該實驗臺用于高校實踐教學中具有較好的經濟效益和社會效益