數(shù)控車故障檢測(cè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開發(fā)

廣州市輕工高級(jí)技工學(xué)校 （廣東 510550） 任志華

數(shù)控機(jī)床維修速度在很大程度上要依靠平時(shí)經(jīng)驗(yàn)的積累，維修人員遇到過的問題、解決過的故障越多，其維修經(jīng)驗(yàn)也就越豐富。在學(xué)校的教學(xué)過程中，要讓學(xué)生掌握維修技術(shù)，就必須依靠在真實(shí)的數(shù)控機(jī)床上設(shè)置各種類型的故障，讓學(xué)生學(xué)會(huì)排查、檢修這些故障，從而掌握這些維修技術(shù)。但是要設(shè)置這些故障，老師們必須在課前花大量的時(shí)間去做準(zhǔn)備。為此，我們提出這樣的一個(gè)設(shè)想：如果可以通過計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，當(dāng)接收到指令后，數(shù)控機(jī)床就可以出現(xiàn)一種真實(shí)的故障現(xiàn)象。如果真能實(shí)現(xiàn)，不僅可以節(jié)省老師在課前大量做準(zhǔn)備的時(shí)間，也能讓學(xué)生能在課堂中接觸大量的故障排除實(shí)例。

經(jīng)過一年緊張充實(shí)的努力和探索，在學(xué)院的支持下，我們終于完成了基于綜合訓(xùn)練平臺(tái)中的一部分——基于真實(shí)數(shù)控車故障檢測(cè)與維修實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的研究和開發(fā)。

1.實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的組成

圖1 數(shù)控車床裝調(diào)與維修綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)物圖

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)由真實(shí)的數(shù)控車床、一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)以及故障設(shè)置系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。其中數(shù)控車床采用廣州機(jī)床廠有限公司生產(chǎn)的G-CNC6135（G）經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，配有廣州數(shù)控設(shè)備廠的GSK980T系統(tǒng)，采用中文操作界面和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)G指令。圖2是實(shí)訓(xùn)平臺(tái)面板。

圖2 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)面板

2.綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)各組件尺寸及主要技術(shù)參數(shù)

（1）數(shù)控車床床身尺寸：2 200 mm×1 150 mm×1 660mm。

（2）故障設(shè)置系統(tǒng)主體尺寸：2 050 mm×650 mm×1 850mm。

（3）故障設(shè)置系統(tǒng)的組成：通過使用計(jì)算機(jī)上的上位機(jī)軟件準(zhǔn)確控制繼電器觸點(diǎn)的通斷，使得數(shù)控設(shè)備內(nèi)的電路或者元器件開路，人為地設(shè)置數(shù)控設(shè)備的故障。同時(shí)在綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的電路原理圖板塊上將所設(shè)計(jì)到元器件的端口引出。學(xué)生通過故障現(xiàn)象圈定故障范圍后，使用各種測(cè)量工具在電路原理圖的元器件引出端對(duì)電路進(jìn)行測(cè)量，確定故障點(diǎn)并進(jìn)行故障排除。圖3為數(shù)控設(shè)備裝調(diào)與維修系統(tǒng)框架圖。

故障設(shè)置系統(tǒng)主要由繼電器模塊和上位機(jī)軟件組成，兩者直接采用RS232協(xié)議進(jìn)行通信，上位機(jī)軟件能準(zhǔn)確控制每一個(gè)繼電器的狀態(tài)。

圖3 數(shù)控設(shè)備裝調(diào)與維修系統(tǒng)框架圖

繼電器模塊：本模塊采用Atmega16工業(yè)級(jí)芯片，具備超強(qiáng)抗干擾性能，單片機(jī)輸入輸出全部采用光耦隔離，控制部分可以單獨(dú)供電也可以與繼電器使用同一個(gè)電源。通信部分電源采用隔離電源（電氣上全部隔離）供電，信號(hào)使用光耦隔離，從而充分保障與之通信的電腦的安全。16個(gè)繼電器的輸出端有16個(gè)輸出狀態(tài)指示燈，在出現(xiàn)不明確的情況時(shí)直接通過硬件電路檢查。繼電器模塊實(shí)物如圖4所示。

用戶調(diào)節(jié)地址，通過撥碼開關(guān)上面標(biāo)有1、2、3、4、5、6、7、8。1～8從左向右分別代表地址號(hào)1、2、4、8、16、32、64、128。設(shè)置地址時(shí)把開關(guān)撥到“On”的位置代表加上相應(yīng)開關(guān)代表的地址號(hào)。所有的開關(guān)都沒有撥到“On”的位置，代表地址0。

圖4 繼電器模塊實(shí)物圖

上位機(jī)軟件：上位機(jī)軟件使用VB開發(fā)，主要包含數(shù)據(jù)收發(fā)和狀態(tài)顯示兩部分。圖5是上位機(jī)軟件界面。通過MSComm控件來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，對(duì)繼電器模塊發(fā)來數(shù)據(jù)的處理或由人控制作出決策，然后再通過串口發(fā)送到繼電器模塊?？梢詥为?dú)控制某一個(gè)繼電器的吸合與斷開，互相之間沒有影響，軟件可同時(shí)操作200多塊板同時(shí)連接在總線上，同時(shí)控制四千多個(gè)節(jié)點(diǎn)，不同節(jié)點(diǎn)之間互不干擾。狀態(tài)顯示目前支持16個(gè)故障設(shè)置。狀態(tài)顯示部分是通過對(duì)接收回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，改變相應(yīng)的Picture的顏色來監(jiān)控每個(gè)繼電器的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，以滿足故障監(jiān)控和設(shè)置的需要。

圖5 上位機(jī)軟件界面

通信協(xié)議：繼電器模塊和計(jì)算機(jī)上的上位機(jī)軟件之間的通信采用串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)232協(xié)議通信。232協(xié)議是一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)，是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。字符是以一序列的位元串來一個(gè)接一個(gè)的傳輸，使用異步起停Asynchronous Start-stop格式，它使用一個(gè)起始位元后面緊跟8個(gè)數(shù)據(jù)位元，一個(gè)停止位，無校驗(yàn)位。所以發(fā)送一個(gè)字符至少需要10位元，帶來的一個(gè)好的效果是使全部的傳輸速率、發(fā)送信號(hào)的速率以10劃分。收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)是相對(duì)于信號(hào)地，典型的RS-232信號(hào)在正負(fù)電平之間擺動(dòng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在+5～+12V，負(fù)電平在－5～－12V電平。當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。 由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為2～3V，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約15m，最高速率為20kB/s。RS-232是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（即只用一對(duì)收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為3～7kΩ。所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信。本故障設(shè)置系統(tǒng)采用波特率為9 600Bd/s，雙向傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中含有校驗(yàn)和字節(jié)，若數(shù)據(jù)校驗(yàn)和出錯(cuò)，數(shù)據(jù)將被丟棄，從而徹底避免因?yàn)楦蓴_帶來的誤動(dòng)作。

（4）數(shù)控車床的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表 1

3.實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的安全性考慮

故障設(shè)置系統(tǒng)主要是在電氣控制原理圖上直接將元器件的端口引出，非常直觀，便于學(xué)生檢測(cè)故障。學(xué)生在檢測(cè)和分析故障的過程中更深入理解電路的工作原理，為學(xué)生進(jìn)一步接觸機(jī)床電路實(shí)體打好基礎(chǔ)。出于安全考慮，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在研發(fā)過程中，我們還對(duì)機(jī)床內(nèi)部電路進(jìn)行了改造，目的在于提高設(shè)備的安全系數(shù)，以減少學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中因操作不當(dāng)而造成觸電事故的危險(xiǎn)。我們將機(jī)床原來線圈額定電壓為110V的交流接觸器換成線圈額定電壓為36V安全電壓的接觸器，使整個(gè)控制回路的電壓都在安全范圍之內(nèi)。另外，在實(shí)訓(xùn)臺(tái)的控制電源中增加了漏電保護(hù)開關(guān)，可為學(xué)生的人身安全增加一道有效的保護(hù)屏障。

4.實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的使用說明

該平臺(tái)只需通過連接個(gè)人計(jì)算機(jī)，并安裝對(duì)應(yīng)操作軟件，用鼠標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單操作即可設(shè)置或恢復(fù)故障，并有故障清零功能。故障檢測(cè)系統(tǒng)的正面展示完整的數(shù)控車床機(jī)床電氣原理圖，統(tǒng)一在接線端子上檢測(cè)各元件的連接點(diǎn)（故障點(diǎn)），可設(shè)32個(gè)故障（以后將繼續(xù)升級(jí)），具有豐富的擴(kuò)展功能，學(xué)生可直接在原理圖上對(duì)故障模塊進(jìn)行分析、檢測(cè)和進(jìn)行故障排除，如圖6所示。本綜合平臺(tái)的改造過程不影響原來數(shù)控車床的使用壽命和功能，設(shè)備仍可用于正常的加工教學(xué)，學(xué)生在完成加工模塊的學(xué)習(xí)后，可以直接在這個(gè)綜合平臺(tái)上繼續(xù)學(xué)習(xí)數(shù)控機(jī)床的故障診斷與排除等知識(shí)，提供了連貫的學(xué)習(xí)環(huán)境。

圖6 檢測(cè)實(shí)例

5.實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的故障分類查詢列表

表 2

（續(xù)）

（續(xù)）

6.實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)

本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)經(jīng)過多次的改進(jìn)后，有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）開放式結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)，巧妙地將電氣原理與控制器件集成于一體，使受訓(xùn)對(duì)象倍感直觀，故障種類多，設(shè)置和恢復(fù)容易。

（2）減少教師勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短備課準(zhǔn)備時(shí)間，以及課后機(jī)床恢復(fù)正常狀態(tài)的耗費(fèi)時(shí)間。

（3）采用真實(shí)的數(shù)控機(jī)床改造，既不影響機(jī)床原有使用壽命，還可用于加工。

（4）故障的種類豐富，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效果。

（5）改造成本較低。

（6）安全可靠，我們將機(jī)床原來的線圈額定電壓為110V的交流接觸器換成線圈額定電壓為36V安全電壓的接觸器，有效避免因?qū)W生誤操作而造成的危險(xiǎn)。

（7）縮小現(xiàn)有教學(xué)設(shè)備與真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境的距離，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力。

7.后續(xù)開發(fā)工作

本綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是由我院幾位老師共同研究和開發(fā)的教學(xué)設(shè)備，研發(fā)成功后，已在實(shí)際教學(xué)中應(yīng)用，取得很好的效果。以后我們將繼續(xù)改造升級(jí)，務(wù)求讓它能連接更多種類的數(shù)控機(jī)床，更加適用于我們的實(shí)際教學(xué)。