數控車故障檢測實訓平臺開發

廣州市輕工高級技工學校 （廣東 510550） 任志華

數控機床維修速度在很大程度上要依靠平時經驗的積累，維修人員遇到過的問題、解決過的故障越多，其維修經驗也就越豐富。在學校的教學過程中，要讓學生掌握維修技術，就必須依靠在真實的數控機床上設置各種類型的故障，讓學生學會排查、檢修這些故障，從而掌握這些維修技術。但是要設置這些故障，老師們必須在課前花大量的時間去做準備。為此，我們提出這樣的一個設想：如果可以通過計算機發出指令，當接收到指令后，數控機床就可以出現一種真實的故障現象。如果真能實現，不僅可以節省老師在課前大量做準備的時間，也能讓學生能在課堂中接觸大量的故障排除實例。

經過一年緊張充實的努力和探索，在學院的支持下，我們終于完成了基于綜合訓練平臺中的一部分——基于真實數控車故障檢測與維修實訓平臺的研究和開發。

1.實訓平臺的組成

圖1 數控車床裝調與維修綜合實訓平臺實物圖

實訓平臺由真實的數控車床、一臺個人計算機以及故障設置系統三部分組成，如圖1所示。其中數控車床采用廣州機床廠有限公司生產的G-CNC6135（G）經濟型數控車床，配有廣州數控設備廠的GSK980T系統，采用中文操作界面和國際標準G指令。圖2是實訓平臺面板。

圖2 實訓平臺面板

2.綜合實訓平臺各組件尺寸及主要技術參數

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

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

（3）故障設置系統的組成：通過使用計算機上的上位機軟件準確控制繼電器觸點的通斷，使得數控設備內的電路或者元器件開路，人為地設置數控設備的故障。同時在綜合實訓平臺的電路原理圖板塊上將所設計到元器件的端口引出。學生通過故障現象圈定故障范圍后，使用各種測量工具在電路原理圖的元器件引出端對電路進行測量，確定故障點并進行故障排除。圖3為數控設備裝調與維修系統框架圖。

故障設置系統主要由繼電器模塊和上位機軟件組成，兩者直接采用RS232協議進行通信，上位機軟件能準確控制每一個繼電器的狀態。

圖3 數控設備裝調與維修系統框架圖

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

用戶調節地址，通過撥碼開關上面標有1、2、3、4、5、6、7、8。1～8從左向右分別代表地址號1、2、4、8、16、32、64、128。設置地址時把開關撥到“On”的位置代表加上相應開關代表的地址號。所有的開關都沒有撥到“On”的位置，代表地址0。

圖4 繼電器模塊實物圖

上位機軟件：上位機軟件使用VB開發，主要包含數據收發和狀態顯示兩部分。圖5是上位機軟件界面。通過MSComm控件來發送和接收數據，對繼電器模塊發來數據的處理或由人控制作出決策，然后再通過串口發送到繼電器模塊。可以單獨控制某一個繼電器的吸合與斷開，互相之間沒有影響，軟件可同時操作200多塊板同時連接在總線上，同時控制四千多個節點，不同節點之間互不干擾。狀態顯示目前支持16個故障設置。狀態顯示部分是通過對接收回來的數據進行處理，改變相應的Picture的顏色來監控每個繼電器的當前狀態進行監控，以滿足故障監控和設置的需要。

圖5 上位機軟件界面

通信協議：繼電器模塊和計算機上的上位機軟件之間的通信采用串行數據接口標準232協議通信。232協議是一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準，是PC機與通信工業中應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接一個的傳輸，使用異步起停Asynchronous Start-stop格式，它使用一個起始位元后面緊跟8個數據位元，一個停止位，無校驗位。所以發送一個字符至少需要10位元，帶來的一個好的效果是使全部的傳輸速率、發送信號的速率以10劃分。收、發端的數據信號是相對于信號地，典型的RS-232信號在正負電平之間擺動，在發送數據時，發送端驅動器輸出正電平在+5～+12V，負電平在－5～－12V電平。當無數據傳輸時，線上為TTL，從開始傳送數據到結束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。 由于發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是為點對點（即只用一對收、發設備）通訊而設計的，其驅動器負載為3～7kΩ。所以RS-232適合本地設備之間的通信。本故障設置系統采用波特率為9 600Bd/s，雙向傳送數據，數據中含有校驗和字節，若數據校驗和出錯，數據將被丟棄，從而徹底避免因為干擾帶來的誤動作。

（4）數控車床的技術參數如表1所示。

表 1

3.實訓平臺的安全性考慮

故障設置系統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，便于學生檢測故障。學生在檢測和分析故障的過程中更深入理解電路的工作原理，為學生進一步接觸機床電路實體打好基礎。出于安全考慮，實訓平臺在研發過程中，我們還對機床內部電路進行了改造，目的在于提高設備的安全系數，以減少學生在實訓過程中因操作不當而造成觸電事故的危險。我們將機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，使整個控制回路的電壓都在安全范圍之內。另外，在實訓臺的控制電源中增加了漏電保護開關，可為學生的人身安全增加一道有效的保護屏障。

4.實訓平臺的使用說明

該平臺只需通過連接個人計算機，并安裝對應操作軟件，用鼠標進行簡單操作即可設置或恢復故障，并有故障清零功能。故障檢測系統的正面展示完整的數控車床機床電氣原理圖，統一在接線端子上檢測各元件的連接點（故障點），可設32個故障（以后將繼續升級），具有豐富的擴展功能，學生可直接在原理圖上對故障模塊進行分析、檢測和進行故障排除，如圖6所示。本綜合平臺的改造過程不影響原來數控車床的使用壽命和功能，設備仍可用于正常的加工教學，學生在完成加工模塊的學習后，可以直接在這個綜合平臺上繼續學習數控機床的故障診斷與排除等知識，提供了連貫的學習環境。

圖6 檢測實例

5.實訓平臺的故障分類查詢列表

表 2

（續）

（續）

6.實訓平臺的優點

本實訓平臺經過多次的改進后，有如下優點：

（1）開放式結構，模塊化設計，巧妙地將電氣原理與控制器件集成于一體，使受訓對象倍感直觀，故障種類多，設置和恢復容易。

（2）減少教師勞動強度，縮短備課準備時間，以及課后機床恢復正常狀態的耗費時間。

（3）采用真實的數控機床改造，既不影響機床原有使用壽命，還可用于加工。

（4）故障的種類豐富，提高了學生的學習興趣和效果。

（5）改造成本較低。

（6）安全可靠，我們將機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，有效避免因學生誤操作而造成的危險。

（7）縮小現有教學設備與真實生產環境的距離，進一步加強學生的動手能力。

7.后續開發工作

本綜合實訓平臺是由我院幾位老師共同研究和開發的教學設備，研發成功后，已在實際教學中應用，取得很好的效果。以后我們將繼續改造升級，務求讓它能連接更多種類的數控機床，更加適用于我們的實際教學。