数控机床故障诊断模拟教学实验台的设计与开发

　目前随着航空航天、模具制造、汽车等技术的不断发展，使数控机床成为制造业中必不可少的加工设备。数控机床由于具有高效率、高质量、高速度、高可靠性等特点，在自动化加工领域的占有率越来越高。而数控机床在长期运转加工中不可避免会出现各种故障，因此对数控机床维修调试的高技能人才需求也越来越多。传统的数控机床维修高技能人才的培养是由师徒模式进行的，显然无法满足当前市场需求。高校要培养出实践动手能力很强的数控维修高技能人才，需要集教学、实验于一体的数控机床故障诊断模拟实验设备。而由于数控机床价格昂贵，无法在教学中普遍使用，需结合现有数控实验设备，设计并开发数控机床故障诊断模拟实验台，对学生进行专业性、实践性都很强的数控教学。
一、实验台总体设计
本文采用西门子SINUMERIK 802D数控系统，开发研制了数控调试维修实验台。它侧重于机床各部件的电气连接、各种信号测量、性能监控、调试维修、故障设置及排除、PLC程序设
计、NC调试等实验。对于数控机床的电气、诊断、调试等方面的实训教学，需要实验台具有开放式的特点，便于学生学习和理解。因此在教学实验台的设计思路中考虑设计一个开放的电气柜，便于学习和掌握CNC数控系统的硬件连接、电气设计、梯形设计、参数设置、故障诊断等多方面数控知识。本数控实验台的设计采用了开放式、模块化的设计思想，尽可能多将数控机床的电器元件、组成等在实验台上展示出来，使学生对数控机床的电器元件、数控机床组成等有一个整体的认识，便于更好地完成数控高级人才培养的任务。
二、实验台硬件配置
1.数控系统选型
常见的数控系统有FANUC、SIEMENS、施耐德、华中等类型。其中西门子公司的SINUMERIK 802D数控系统集成NCK、PLC、HMI于一体，具有功能强大、技术先进、性能完善、保护
性好、开放性好、通用性好等特点，通过PRO-FIBUS连接各部SIMODRIVE 611U数字驱动系统，可控制4个进给轴、1个数字或模拟主轴，是一款高性能、低价位的数控系统。由于本文设计的实验台要实现铣床功能，即1个主轴和3个进给轴，故选择SINUMERIK 802D作为数控调试维修实验台的数控系统。
2.电机选型
伺服电机作为数控机床驱动坐标运动的执行部件，不仅具有恒定输出转矩特性，而且还具有非常强的过载能力。伺服电机选型的主要依据是机床的设计性能指标，如进给轴的最高速度、加速度、主轴功率和调速范围以及机床实际应用条件，如切削的材料、加工工艺参数、使用的刀具等条件。由于本文设计的数控维修实验台不进行实际的加工切削，且电机的工作制是短时工作制，即短时定额。因此，选配的电机型号分别为：主轴，1PH7107-2NF02-0CA0；X轴，1FK7060-5AF71-1AG0；Y轴，1FK7060-5AF71-1AG0；Z轴，1FK7063-5AF71-1AH0。
3.模块设计与组成
根据教学需要，为便于学生全面理解数控知识，在实验台的设计中，将实验台按功能分割成六个开放式的功能模块，分别为伺服驱动模块、电器部分、模拟刀库模块、I/O模块、数控装
置和实验板。
（1）伺服驱动模块。与数控系统802D匹配的伺服驱动装置是Simodrive611U E系列伺服驱动器，包括电源模块和功率模块。其中功率模块采用双轴模块，电源模块设为三相400V±10%，使驱动系统可在360V到440V范围内正常工作。进给轴选用1FK7系列伺服电机，主轴选用1PH7系列主轴电机。在伺服驱动模块上预留了可供测量使能信号及编码器信号的插孔，方便学生在实验中测量各信号的状态并进一步理解伺服驱动工作过程。
（2）电器部分。数控机床的电路有主电路和控制电路。主电路可实现电能的分配、短路保护、过载保护等功能，控制电路可实现机床照明、冷却润滑等。该模块为数控机床的主电路，用来展示机床强电控制原理。
（3）模拟刀库模块。本实验台具有铣床功能，没有刀库，为了增加实验台的应用功能，节约成本，特设计了该模块，实现加工中心的自动换刀功能。
（4）I\O模块。I\O模块主要是把机床电器部件通过分线器与手轮和机床侧信号相连，来展示机床上的行程开关、霍尔开关和机床操控面板开关等信号。在I\O模块上设计了开关按钮，可进行机床常见故障设置，同时在实验台的I/O模块上预留了机床侧的部分信号接插孔，用于接线及测量信号状态，查找机床故障原因。
（5）数控装置模块。选用西门子802D数控系统，其计算机数控装置CNC与显示器集成为一体，数控装置前面有可以作为数据存储的PCMCIA卡插口。
（6）实验板。实验板设有故障设置模块，用于在实验或考核过程中人为设置故障。操作人员可以手动操作故障设置模块上的各故障开关，设置不同的故障。故障设置模块也可以和计算机相连，通过专用的计算机软件设置故障，实验台上能够实时显示当前的故障点。本实验台共设置了23个按钮，对应不同的机床故障设置，各按钮对应的故障内容如表1所示。
表1 机床故障设置对照表

序号	名称	变量地址	内容	按钮状态
1	SQ1	10.7	+X限位	常闭按钮
2	SQ2	11.0	+Z限位	常闭按钮
3	SQ3	11.1	X减速开关	常闭按钮
4	SQ4	11.2	Z减速开关	常闭按钮
5	SQ5	11.3	-X限位	常闭按钮
6	SQ6	11.4	-Z限位	常闭按钮
7	SQ7	11.5	+Y限位	常闭按钮
8	SQ8	11.6	Y减速开关	常闭按钮
9	SQ9	11.7	-Y限位	常闭按钮
10	SB4	13.7	循环启动动	常开按钮
11	SB5	14.0	进给保持	常闭按钮
12	SB3	14.1	轴选择	常开按钮
13	SB3	14.2	轴选择	常开按钮
14	SB6	14.3	跳步	常开按钮
15	SB7	14.5	复位	常开按钮
16	SB8	14.6	正向	常开按钮
17	SB9	14.7	负向	常开按钮
18	SB11	12.2	换刀	常开按钮
19	SB12	12.3	单段	常开按钮
20	SB13	12.4	选择停止	常闭按钮
21	SB14	12.5	主轴正转	常开按钮
22	SB15	12.6	主轴停止	常闭按钮
23	SB16	12.7	主轴反转	常开按钮

三、实验台调试
按照设计要求正确安装并连接数控系统的硬件后，需进行数控系统调试。调试内容包括：PLC应用程序、驱动器参数调试和数控系统的基本参数调试。
数控系统通电检查无误后，可进行PLC应用程序的调试，以实现PLC相关功能正常运行。本实验台主要对数控系统工作方式选择、进给倍率的选择、急停、坐标轴手动控制、主轴手动控
制、手轮控制等PLC程序进行调试。调试方法如下：
（1）利用准备好的“802D调试电缆”将计算机和802D的COM1连接起来。802D必须进入联机方式：系统→PLC→STEP7连接→设定通讯参数→选择“连接开启”。计算机启动PLC编程工具，进入通讯画面，设定通讯参数，如波特率等。
（2）编译PLC应用程序，并利用PLC编程工具软件将该应用程序下载到802D中。
（3）启动PLC应用程序，可利用监控梯形图的状态，也可利用“交叉引用表”来检查是否有地址冲突。将设计好的PLC程序通过RS232通讯电缆下载到802D系统中，进行调试，802D系统不支持PLC程序的修改，所以要修改PLC程序需将其上载到计算机内再进行修改，重复上述过程进行调试，直到成功为止。
PLC应用程序的基本功能调试完毕后，数控系统可在模拟方式下进行模拟操作。
四、实验台功能
为了在教学中使学生熟悉数控机床常见故障种类并掌握数控机床常见故障的排除方法，本文设计的实验台可进行数控数控机床故障设置与诊断实验，如数控系统无法启动、数控机床驱动无法得电、故障板设置故障等。
（1）数控系统无法启动实验。
故障现象：上电后，按下系统启动键，数控系统没有反应。
故障排查：检查实验板上各个电路空气开关是否合闭，特别是数控系统控制空开的状态，若有未合闭空开，合上电源，故障将排除。若无上述故障，从数控系统端开始用万用表检查电
路是否接通，检查出未连接牢固的接线端子，接好电路。故障排除后，系统重新上电。
（2）数控机床驱动无法得电。
故障现象：开机后，数控机床驱动部分无电压。
故障排查：断开模拟电压+/-10V端。1）按“自动方式” →键入“M03S500” →按“回车/输入”键→按“数控启动”键。2）主轴不运转，观察I/O模块演示板的Q0.0的红色指示灯是否亮，亮着表示正转有效。3）重复步骤1，主轴运转。
（3）故障板设置故障并排除。
故障设置：按下故障板上任意一个开关按钮后，机床某个功能不能实现。例如各种限位开关、减速开关、各种按钮的故障等。
故障排查：根据故障现象，查找相对应开关按钮，重新操作机床，故障排除。
五、小结
本文设计并开发了基于SINUMERIK 802D数控系统的数控机床故障诊断模拟教学实验台，并进行了子系统连接与调试。
该数控实验台采用了开放性和模块化的结构设计理念，尽可能把数控机床的电气部件在综合实验台上展示，让学生对数控机床电气组成、运行机制有一个整体概念。利用该实验台可进行各种机床故障设置实验，学生可以自己动手操作，对数控机床的各个环节理解更加透彻。实践证明，该实验台对数控技术实践教学有很好的促进作用，有利于为社会培养更多的数控技术高级人才。从长远看，将该实验台用于高校实践教学中具有较好的经济效益和社会效益