目前隨著航空航天、模具制造、汽車等技術(shù)的不斷發(fā)展，使數(shù)控機(jī)床成為制造業(yè)中*的加工設(shè)備。數(shù)控機(jī)床由于具有率、高質(zhì)量、高速度、高可靠性等特點(diǎn)，在自動(dòng)化加工領(lǐng)域的占有率越來越高。而數(shù)控機(jī)床在長期運(yùn)轉(zhuǎn)加工中不可避免會(huì)出現(xiàn)各種故障，因此對(duì)數(shù)控機(jī)床維修調(diào)試的高技能人才需求也越來越多。傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床維修高技能人才的培養(yǎng)是由師徒模式進(jìn)行的，顯然無法滿足當(dāng)前市場(chǎng)需求。高校要培養(yǎng)出實(shí)踐動(dòng)手能力很強(qiáng)的數(shù)控維修高技能人才，需要集教學(xué)、實(shí)驗(yàn)于一體的數(shù)控機(jī)床故障診斷模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備。而由于數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，無法在教學(xué)中普遍使用，需結(jié)合現(xiàn)有數(shù)控實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)并開發(fā)數(shù)控機(jī)床故障診斷模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行專業(yè)性、實(shí)踐性都很強(qiáng)的數(shù)控教學(xué)。
一、實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)
本文采用西門子SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)，開發(fā)研制了數(shù)控調(diào)試維修實(shí)驗(yàn)臺(tái)。它側(cè)重于機(jī)床各部件的電氣連接、各種信號(hào)測(cè)量、性能監(jiān)控、調(diào)試維修、故障設(shè)置及排除、PLC程序設(shè)
計(jì)、NC調(diào)試等實(shí)驗(yàn)。對(duì)于數(shù)控機(jī)床的電氣、診斷、調(diào)試等方面的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，需要實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有開放式的特點(diǎn)，便于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解。因此在教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)思路中考慮設(shè)計(jì)一個(gè)開放的電氣柜，便于學(xué)習(xí)和掌握CNC數(shù)控系統(tǒng)的硬件連接、電氣設(shè)計(jì)、梯形設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)置、故障診斷等多方面數(shù)控知識(shí)。本數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)采用了開放式、模塊化的設(shè)計(jì)思想，盡可能多將數(shù)控機(jī)床的電器元件、組成等在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上展示出來，使學(xué)生對(duì)數(shù)控機(jī)床的電器元件、數(shù)控機(jī)床組成等有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)，便于更好地完成數(shù)控人才培養(yǎng)的任務(wù)。
二、實(shí)驗(yàn)臺(tái)硬件配置
1.數(shù)控系統(tǒng)選型
常見的數(shù)控系統(tǒng)有FANUC、SIEMENS、施耐德、華中等類型。其中西門子公司的SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)集成NCK、PLC、HMI于一體，具有功能強(qiáng)大、技術(shù)先進(jìn)、性能完善、保護(hù)
性好、開放性好、通用性好等特點(diǎn)，通過PRO-FIBUS連接各部SIMODRIVE 611U數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可控制4個(gè)進(jìn)給軸、1個(gè)數(shù)字或模擬主軸，是一款高性能、低價(jià)位的數(shù)控系統(tǒng)。由于本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)要實(shí)現(xiàn)銑床功能，即1個(gè)主軸和3個(gè)進(jìn)給軸，故選擇SINUMERIK 802D作為數(shù)控調(diào)試維修實(shí)驗(yàn)臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)。
2.電機(jī)選型
伺服電機(jī)作為數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件，不僅具有恒定輸出轉(zhuǎn)矩特性，而且還具有非常強(qiáng)的過載能力。伺服電機(jī)選型的主要依據(jù)是機(jī)床的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，如進(jìn)給軸的zui高速度、加速度、主軸功率和調(diào)速范圍以及機(jī)床實(shí)際應(yīng)用條件，如切削的材料、加工工藝參數(shù)、使用的刀具等條件。由于本文設(shè)計(jì)的數(shù)控維修實(shí)驗(yàn)臺(tái)不進(jìn)行實(shí)際的加工切削，且電機(jī)的工作制是短時(shí)工作制，即短時(shí)定額。因此，選配的電機(jī)型號(hào)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(shè)計(jì)與組成
根據(jù)教學(xué)需要，為便于學(xué)生全面理解數(shù)控知識(shí)，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)中，將實(shí)驗(yàn)臺(tái)按功能分割成六個(gè)開放式的功能模塊，分別為伺服驅(qū)動(dòng)模塊、電器部分、模擬刀庫模塊、I/O模塊、數(shù)控裝
置和實(shí)驗(yàn)板。
（1）伺服驅(qū)動(dòng)模塊。與數(shù)控系統(tǒng)802D匹配的伺服驅(qū)動(dòng)裝置是Simodrive611U E系列伺服驅(qū)動(dòng)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(shè)為三相400V±10%，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可在360V到440V范圍內(nèi)正常工作。進(jìn)給軸選用1FK7系列伺服電機(jī)，主軸選用1PH7系列主軸電機(jī)。在伺服驅(qū)動(dòng)模塊上預(yù)留了可供測(cè)量使能信號(hào)及編碼器信號(hào)的插孔，方便學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量各信號(hào)的狀態(tài)并進(jìn)一步理解伺服驅(qū)動(dòng)工作過程。
（2）電器部分。數(shù)控機(jī)床的電路有主電路和控制電路。主電路可實(shí)現(xiàn)電能的分配、短路保護(hù)、過載保護(hù)等功能，控制電路可實(shí)現(xiàn)機(jī)床照明、冷卻潤滑等。該模塊為數(shù)控機(jī)床的主電路，用來展示機(jī)床強(qiáng)電控制原理。
（3）模擬刀庫模塊。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有銑床功能，沒有刀庫，為了增加實(shí)驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用功能，節(jié)約成本，特設(shè)計(jì)了該模塊，實(shí)現(xiàn)加工中心的自動(dòng)換刀功能。
（4）I\O模塊。I\O模塊主要是把機(jī)床電器部件通過分線器與手輪和機(jī)床側(cè)信號(hào)相連，來展示機(jī)床上的行程開關(guān)、霍爾開關(guān)和機(jī)床操控面板開關(guān)等信號(hào)。在I\O模塊上設(shè)計(jì)了開關(guān)按鈕，可進(jìn)行機(jī)床常見故障設(shè)置，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的I/O模塊上預(yù)留了機(jī)床側(cè)的部分信號(hào)接插孔，用于接線及測(cè)量信號(hào)狀態(tài)，查找機(jī)床故障原因。
（5）數(shù)控裝置模塊。選用西門子802D數(shù)控系統(tǒng)，其計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置CNC與顯示器集成為一體，數(shù)控裝置前面有可以作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的PCMCIA卡插口。
（6）實(shí)驗(yàn)板。實(shí)驗(yàn)板設(shè)有故障設(shè)置模塊，用于在實(shí)驗(yàn)或考核過程中人為設(shè)置故障。操作人員可以手動(dòng)操作故障設(shè)置模塊上的各故障開關(guān)，設(shè)置不同的故障。故障設(shè)置模塊也可以和計(jì)算機(jī)相連，通過的計(jì)算機(jī)軟件設(shè)置故障，實(shí)驗(yàn)臺(tái)上能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前的故障點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)共設(shè)置了23個(gè)按鈕，對(duì)應(yīng)不同的機(jī)床故障設(shè)置，各按鈕對(duì)應(yīng)的故障內(nèi)容如表1所示。
表1 機(jī)床故障設(shè)置對(duì)照表
 

三、實(shí)驗(yàn)臺(tái)調(diào)試
按照設(shè)計(jì)要求正確安裝并連接數(shù)控系統(tǒng)的硬件后，需進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試內(nèi)容包括：PLC應(yīng)用程序、驅(qū)動(dòng)器參數(shù)調(diào)試和數(shù)控系統(tǒng)的基本參數(shù)調(diào)試。
數(shù)控系統(tǒng)通電檢查無誤后，可進(jìn)行PLC應(yīng)用程序的調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)PLC相關(guān)功能正常運(yùn)行。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要對(duì)數(shù)控系統(tǒng)工作方式選擇、進(jìn)給倍率的選擇、急停、坐標(biāo)軸手動(dòng)控制、主軸手動(dòng)控
制、手輪控制等PLC程序進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試方法如下：
（1）利用準(zhǔn)備好的“802D調(diào)試電纜”將計(jì)算機(jī)和802D的COM1連接起來。802D必須進(jìn)入聯(lián)機(jī)方式：系統(tǒng)→PLC→STEP7連接→設(shè)定通訊參數(shù)→選擇“連接開啟”。計(jì)算機(jī)啟動(dòng)PLC編程工具，進(jìn)入通訊畫面，設(shè)定通訊參數(shù)，如波特率等。
（2）編譯PLC應(yīng)用程序，并利用PLC編程工具軟件將該應(yīng)用程序下載到802D中。
（3）啟動(dòng)PLC應(yīng)用程序，可利用監(jiān)控梯形圖的狀態(tài)，也可利用“交叉引用表”來檢查是否有地址沖突。將設(shè)計(jì)好的PLC程序通過RS232通訊電纜下載到802D系統(tǒng)中，進(jìn)行調(diào)試，802D系統(tǒng)不支持PLC程序的修改，所以要修改PLC程序需將其上載到計(jì)算機(jī)內(nèi)再進(jìn)行修改，重復(fù)上述過程進(jìn)行調(diào)試，直到成功為止。
PLC應(yīng)用程序的基本功能調(diào)試完畢后，數(shù)控系統(tǒng)可在模擬方式下進(jìn)行模擬操作。
四、實(shí)驗(yàn)臺(tái)功能
為了在教學(xué)中使學(xué)生熟悉數(shù)控機(jī)床常見故障種類并掌握數(shù)控機(jī)床常見故障的排除方法，本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)行數(shù)控?cái)?shù)控機(jī)床故障設(shè)置與診斷實(shí)驗(yàn)，如數(shù)控系統(tǒng)無法啟動(dòng)、數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)無法得電、故障板設(shè)置故障等。
（1）數(shù)控系統(tǒng)無法啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。
故障現(xiàn)象：上電后，按下系統(tǒng)啟動(dòng)鍵，數(shù)控系統(tǒng)沒有反應(yīng)。
故障排查：檢查實(shí)驗(yàn)板上各個(gè)電路空氣開關(guān)是否合閉，特別是數(shù)控系統(tǒng)控制空開的狀態(tài)，若有未合閉空開，合上電源，故障將排除。若無上述故障，從數(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)重新上電。
（2）數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)無法得電。
故障現(xiàn)象：開機(jī)后，數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)部分無電壓。
故障排查：斷開模擬電壓+/-10V端。1）按“自動(dòng)方式” →鍵入“M03S500” →按“回車/輸入”鍵→按“數(shù)控啟動(dòng)”鍵。2）主軸不運(yùn)轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)有效。3）重復(fù)步驟1，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。
（3）故障板設(shè)置故障并排除。
故障設(shè)置：按下故障板上任意一個(gè)開關(guān)按鈕后，機(jī)床某個(gè)功能不能實(shí)現(xiàn)。例如各種限位開關(guān)、減速開關(guān)、各種按鈕的故障等。
故障排查：根據(jù)故障現(xiàn)象，查找相對(duì)應(yīng)開關(guān)按鈕，重新操作機(jī)床，故障排除。
五、小結(jié)
本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床故障診斷模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行了子系統(tǒng)連接與調(diào)試。
該數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用了開放性和模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，盡可能把數(shù)控機(jī)床的電氣部件在綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)上展示，讓學(xué)生對(duì)數(shù)控機(jī)床電氣組成、運(yùn)行機(jī)制有一個(gè)整體概念。利用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)行各種機(jī)床故障設(shè)置實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以自己動(dòng)手操作，對(duì)數(shù)控機(jī)床的各個(gè)環(huán)節(jié)理解更加透徹。實(shí)踐證明，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)數(shù)控技術(shù)實(shí)踐教學(xué)有很好的促進(jìn)作用，有利于為社會(huì)培養(yǎng)更多的數(shù)控技術(shù)人才。從長遠(yuǎn)看，將該實(shí)驗(yàn)臺(tái)用于高校實(shí)踐教學(xué)中具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益