觸屏式數控機床維修教學設備設計

李奇亮

南京鐵道職業技術學院 江蘇南京 215137

觸屏式數控機床維修教學設備設計

李奇亮

南京鐵道職業技術學院 江蘇南京 215137

在數控機床裝調與維修實訓教學過程中，如何直觀高效地進行電氣控制線路故障邏輯分析及查找，數控系統參數誤設的恢復，故障現象和故障類型的必然性聯系判斷，采用PMC編程法的機床功能修改以及機電聯機調試等實訓課題是目前數控設備應用與維護等相關專業學習中普遍存在的難點。針對這些關鍵問題，基于觸摸屏和強抗干擾技術設計出自動設故的數控機床維修教學設備，該設備具有設故高效率、智能化、成本低等特點。該項目的完成為機床裝調與維修、電氣控制等實訓教學創造了有利條件，同時提升了教師的教學水平和學生的綜合能力，為進一步擴大校企合作領域奠定堅實基礎。

觸摸屏；故障；數控車床；教學設備；電氣控制系統

根據機床行業調查，數控人才的市場需求已從初期的數控操作、數控編程轉向了技術含量較高的數控機床調試、維護與維修，維修力量不足是影響數控機床利用率和完好率的主要因素，大量機械制造行業和裝備制造企業急需大量數控機床維修人才。所以加大對數控設備維護人員的培養、提升學習效果是目前職業院校相關專業的使命所在。

在數控設備應用與維護相關專業職業教育實踐過程中，我們主要采用舊機床，先拆裝其主要機械結構及電氣線路，再人為設故讓學生排除和虛擬數控機床故障排除兩種方法進行教學，發現存在以下問題：

(1)人為設置故障時總能被學生直接找到故障點(特別是電氣線路的通斷故障)，學生取捷徑就可以“高效率”地找到故障，從而違背了從現象中分析判斷并檢查相關部位查找故障點的思路。

(2)虛擬數控機床在裝拆及電氣連接方面實訓效果明顯，減輕對實際數控機床和實驗臺的設備(特別是高檔設備)壓力；虛擬數控機床1人1機有利于激發學生的學習熱情，具有安全、經濟等特點，但其完全是一種模擬狀態，主要是對學生認知能力的提高，缺乏實際動手能力的培養，也缺乏故障再現的隨機性。

功能有限是我專業現有設備的主要問題，為擴充實訓項目，多渠道提高學生對機電一體化技術的理解，我們設計出以單片機作為控制核心，以工控現場普遍使用的觸摸屏為人機界面的數控機床維修教學設備，實現了設置隨機一種或多種不同類型的故障，具有故障隱蔽性強，真實性好等特點；而且相對于其他控制終端(如PC機)而言，成本低，集成度和抗干擾能力更強。

1 觸摸屏與CNC和單片機控制系統之間的通信

數控系統一般通過RS-232C串行口和外界通信，但由于RS-232C串行口通信有效距離短，且實訓設備在生產車間，現場條件惡劣，筆者以FANUC 0i Mate TD系統控制的車床為通信對象，采取了抗干擾能力較強的遠程通信方法，即利用CNC系統的RS-232C通信接口和協議，通過屏蔽雙絞線把高通信速率的RS-485接口轉換遠程智能通信模塊，同Pro-face st3300系列，型號AST-3301S觸摸屏的RS-485接口COM2(凸型D-Sub 9針接頭)連接起來，另一方面，PC通過USB數據傳輸電纜CA3-USBCB-01把觸摸屏編輯軟件GP-Pro EX 2.1編寫的畫面程序下載到觸摸屏里如圖1所示，既解決了一個觸摸屏和多臺數控機床進行通信的問題，又為數控機床裝調維修工等相關技能鑒定考試提供硬件支持。

說明：①一個485轉232智能模塊可以接多個機床，在本文中還通過該串口通信實現機床對應的單片機控制系統有計劃地控制對應的線路通斷電路。由于RS-232C規定的邏輯電平與單片機的邏輯電平不一致，這里選用專用電平轉換芯片MAX232實現單片機TTL電平(0/5V)和RS232電平(+10/-10V)之間轉換。②機床端485轉232智能模塊的D2±端子可以并聯，而且觸摸屏通過專用指令可以對每個通信端口的參數設置編程，確保了柔性設置的可行性。

圖1 設備通信原理

2 設故系統設計原理

設置故障的內容主要包括3個方面：數控系統參數錯誤更改或不匹配硬件連接；漏電、缺相以及設備保護電路自動動作等電氣線路故障；在機械方面，故障設置主要針對誤差補償不當甚至是錯誤造成定位誤差過大的問題。

在編制通信軟件過程中，首先要解決的是遵守FANUC數控系統的通信協議，反譯和處理與FANUC數控系統相關的傳輸數據格式轉換，否則接收到的數據將是亂碼。

2.1 串口通信設置

點擊系統設置→控制器/PLC，通訊設置的內容一般有SIO Type=RS422/485(2wire)，Speed，Data Length，Parity，Stop Bit等常規串口通信設置。一般首先在GP的擴展SIO設置中選擇和儀表的通訊設置一樣的參數。(1個起始位，8位數據，無校驗位，1個或2個停止位)，串口通信可以利用GP-Pro EX 2.1編輯軟件的D-Script功能自由地對串行通訊口編程，發送、接收字符串、獲取通訊口狀態。如進行通信初始化：

if([S:EXT_SIO_ STAT15]==1) //判斷端口的狀態，檢查是否有擴展SIO協議

{[w:通訊步驟]=1

[w:超時設定]=3 //3秒的超時(這里的數據可以改變)

[w:下一通訊]=1

[c:EXT_SIO_CTRL]= 0x07 //將發送緩存和接收緩存區都清零

}

endif

以下是用于檢測通訊是否超時，觸發條件是每隔一秒運行一次：

if([w:接收超時]＞0)

{[w:接收超時]=[w:接收超時]-1

}

endif

2.2 數控系統參數設故

上位機直接控制FANUC數控系統參數，可以通過以太網使用CNC參數設定或伺服GUIDE，本文基于觸摸屏和CNC之間串口通信對系統參數進行間接設置，以考查學生對部分參數不正確造成機床故障的判斷能力，提升對該參數作用的理解，如在軟限位系統中，通過設置PRM3004#5=0，就會出現硬超程報警等。

上述的間接設置方法是將機床正常情況下參數備份的文件做局部修改，再進行數據恢復，其中關鍵技術在于熟悉CNC系統參數備份的文件結構和外接觸摸屏進行數據的恢復操作步驟：

對機床正常情況下參數備份文件的局部替換是利用配方功能實現，使用預設的數據創建配方，以備寫入單片機控制器；參數恢復的關鍵操作同PC—通過傳輸電纜連接觸摸屏與數控系統并使機床處于EDIT狀態；設定數控系統和PC匹配的傳輸參數；在數控系統中，按軟鍵[PARAM][OPRT][READ][EXEC]，等待觸摸屏將相應數據傳入；通過觸摸屏把修改后的文件發送到CNC系統。

2.3 電氣設故

為實現自動設故，筆者通過串口芯片MAX232與單片機通信，以控制關鍵線路的通斷。為此，利用Protel DXP制作基于AT89S51線路故障設置PCB版，其原理如圖2所示。

圖2 電氣設故原理

正常情況下，單片機引腳P1.3輸出低電平，三極管Q11截止，繼電器線圈沒有電位差，繼電器銜鐵釋放，保持常開狀態，起到斷開電流的作用，同時狀態二極管也點亮；當單片機接收到觸摸屏需要設置W71線路故障點命令時，引腳輸出高電平，三極管Q11飽和導通，+5V電源加到線圈兩端，繼電器吸合，常開觸點閉合，繼電器起到斷開線路的作用，同時狀態二極管也熄滅。狀態二極管起到調試作用，一般隱藏在考核箱內。

3 設故軟件設計

本文設故軟件采用服務器/客戶機模型開發出教師機軟件和客戶端軟件。教師機軟件是整個系統管理和維護的核心，用來控制各個機床考核內容、評定學生的成績和學生信息管理，教師登錄成功后主要有指定考題、隨機出題、通信設置和About4個按鈕，其中指定考題的畫面如圖3所示。

圖3 指定考題設故的畫面截圖

在此畫面中，主要由兩個重要部件構成：數值顯示部件用于選擇檢查的故障號，本例設置了7個故障；右側是供教師選擇的故障，如果點擊“故障確定”，就把當前選擇的故障號傳到左側，以備登記、檢查。

在這里，還實現了“過3分鐘未操作即自動切換主畫面”和“每次進入子畫面均需輸入密碼”的安全功能。

在每臺機床旁，還安排了學生PC機，通過RS232C和智能模塊相連，主要完成將檢測到的電氣故障線路號上傳到教師機；在實訓聯系階段還可以提示故障判斷思路以及Flash動畫演示整個排故過程。

4 結束語

通過對現有的CJK6125i型車床數控化改造和基于觸摸屏的自動設故系統開發，實現了利用一個觸摸屏遠程管理多臺機床隨機設故和自動評分、成績統計，方便地通過形成性考核方式考核學生掌握技能的真實水平。實踐證明，不僅較好地解決了遠距離通信、資源合理利用、抗干擾能力的問題，提高了原有舊機床的綜合利用率，而且能滿足數控機床裝調、維修教學和實訓，為我院數控機床裝調維修工技能鑒定基地創造了條件。

[1] 吳金嬌，劉樹青.虛擬數控機床在數控維修教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2011，1：75

[2] 汪木蘭.數控原理與系統[M].北京：機械工業出版社，2004

[3] 張瀅，劉寶明，王子豪，等.微機與數控機床遠程通信軟件開發[J].組合機床與自動化加工技術，2005，5：34～35

[4] 普洛菲斯國際貿易(上海)有限公司.其他設備通訊示例[EB/ OL].http://www.proface.com.cn/otasuke/download/sample/PFC_ Demo_simple.html.

The teaching equipment design for touch-screen CNC machine maintenance

Li Qiliang
Nanjing institute of railway technology, Nanjing, 215137, China

In the teaching process of the practice course alignment and maintenance of CNC machine tools, the training subjects such as how to intuitively and eff ciently analyze and f nd the fault of electrical control circuits logically, recover the CNC system parameters that are set by mistake, determine necessity contact of the failure phenomenon and the fault type, revise machine functions via PMC programming, and debug, etc are the common teaching diff culties. In response to these key issues, the paper has designed a teaching equipment for CNC machine maintenance based on automatic set by touch-screen and the strong anti-jamming technology, which have some characteristics such as eff cient set, intellectualized design and low cost. The accomplishment of this project can created favorable conditions for the practice course, and enhance the teachers comprehensive capacity and teaching level, which are the solid foundation for expanding cooperation between colleges and enterprises.

touch screen; failure; CNC lathe; teaching equipment; electrical control system

2011-06-10 稿件編號：1106041

李奇亮，碩士，助教。

南京鐵道職業技術學院青年科研基金項目(編號：Q201114)。