基于單片機的數控機床故障模擬裝置的開發
2017-11-29 來源： 天津中德職業技術學院 作者：王春光，左 維，張建新
摘要：數控維修技術教學過程中，數控機床往往采用人工設置故障的方法，浪費時間、教學效率低。為了解決這一問題，在THWSKW-2A教學儀器上開發了基于單片機的數控機床故障模擬裝置，包括開關電源、單片機、繼電器模塊組以及控制電路。經過實踐證明，該裝置操作方便，適用性高，可廣泛應用于數控機床維修、機電一體化、自動化等專業教學領域，開發的教學實訓項目適合高職院校人才的培養，具有推廣價值。
關鍵詞：單片機；數控機床；故障模擬；機床維修
0 引言
數控設備應用與維護專業課程 《數控機床維修技術》、《數控系統結構與應用 （siemens）》、《數控系統安裝與調試》和《數控機床故障分析與維修》 均以 THWSKW-2A 數控機床維修技能實訓考核裝置為主要教學儀器。數控設備應用與維護專業教學中很大一部分是圍繞此裝置開展的，如線路連接，機床故障排除，系統參數等。在設置故障時，通常采用的方法是人為斷路，如壓線皮，挑掉要斷路的電線，以及接空線和更換壞件等[1]。
目前，設置故障時主要存在以下的問題[2-4]：（1） 設置故障的過程中存在一定的危險性，有可能對實訓人員及設備造成損害；（2） 設置故障耗時較長；（3） 故障設置偶爾會由于人為因素設置不成功。為了解決這些問題，開發了一種基于單片機的數控機床故障模擬裝置，可廣泛應用于數控機床維修、機電一體化、自動化等專業教學領域，開發的教學實訓項目適合高職院校人才的培養，具有推廣價值。
1 、故障模擬裝置的總體設計
為了讓數控機床故障模擬裝置設置故障時方便快捷，并且能夠為數控裝置提供實時性的反饋信號，故障模擬裝置核心是由開關電源、單片機、繼電器模塊組、控制電路及控制程序組成；首先由開關電源給單片機及繼電器模塊組供電，單片機經編程，控制繼電器模塊組的工作，利用繼電器模塊組的觸點來實現對主電路、控制電路及I/O點信號的通斷控制，來實現對機床中各個部分故障的設置。開關電源通過線路與單片機和繼電器模塊組連接，單片機和顯示屏通過J1接口連接，單片機通過J2接口與繼電器模塊組連接，繼電器模塊組與控制電路連接，控制數控機床上的數控系統啟停、冷卻泵電機運動、主軸電機正反轉、換刀動作、X 軸返參運動、Z 軸返參運動、三色燈指示、X 軸超程硬限位報警、Z 軸超程硬限位報警等。
2 、故障模擬裝置程序的設計
通 過 對 故 障 設 置 裝 置 的 遙 控 ， 來 實 現THWSKW-2A 型數控機床維修技能實訓裝置的五大部分：NC啟動、冷卻泵電機、主軸電機、電動刀架、機床返參等故障的設置與排除，且在故障設置中，可以通過液晶屏顯示直觀看到相應故障的狀態[5-6]。
數控機床故障設置裝置的工作原理：由開關電源給單片機及繼電器模塊組供電，單片機經編程，控制繼電器模塊組的工作，利用繼電器模塊組觸點的通斷來實現對主 電 路 、 控 制 電 路 及PLC I/O點信號的控制，來實現對機床中各個部分故障的設置。
通過遙控器按鍵的定義來實現數控機床故障設置與排除，按鍵的具體定義如表1所示。
3 、故障模擬裝置程序的編寫
THWSKW-2A 型數控機床維修技能實訓裝置采用 Fanuc 公 司 的 Fanuc 0imate-TC 數 控 系 統 ， 包括：NC 系統、主軸裝置、I/O模塊、四方刀架、進給裝置、電源模塊和驅動裝置組成。根據數控機床維修技能實訓裝置的控制原理圖，完成不同故障模擬功能程序的編寫。
數控機床的工作過程如下，機床通電開機→繼電器KA1線圈得電→繼電器KA1常開觸點閉合→接觸器KM1線圈得電→接觸器KM1主觸點閉合→變頻器上電→PLC 輸出 Q0.0(Q0.1)
為 DC24V →繼電器 KA2(KA3)線圈得電→繼電器 KA2(KA3)常開觸點閉合→連接到變頻器的端子STF(STR)和SD→變頻器三相輸出→主軸電機正(反)轉。根據數控機床維修技能實訓裝置的工作流程，編寫程序將其控制電路斷開，從而實現設置故障的目的，單片機編寫程序如圖2所示。
圖2 單片機程序的編寫過程
4 、實驗驗證
數控機床故障模擬裝置可實現數控機床故障的自動化設置，可以安全、準確、快捷的設置機床故障，故障點可遙控、可顯示、可更換、可拓展，數控機床故障設置裝置隨時可與實訓裝置脫離，不影響其正常工作，此技術可在數控機床故障診斷與維修相關實訓設備中推廣，方便在故障維修實訓教學中使用，如圖 3 所示，為數控機床故障模擬裝置實驗過程。
圖3 數控機床故障模擬裝置實驗過程
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