基于单片机的数控机床故障模拟装置的开发
2017-11-29 来源： 天津中德职业技术学院 作者：王春光，左 维，张建新
摘要：数控维修技术教学过程中，数控机床往往采用人工设置故障的方法，浪费时间、教学效率低。为了解决这一问题，在THWSKW-2A教学仪器上开发了基于单片机的数控机床故障模拟装置，包括开关电源、单片机、继电器模块组以及控制电路。经过实践证明，该装置操作方便，适用性高，可广泛应用于数控机床维修、机电一体化、自动化等专业教学领域，开发的教学实训项目适合高职院校人才的培养，具有推广价值。
关键词：单片机；数控机床；故障模拟；机床维修
0 引言
数控设备应用与维护专业课程 《数控机床维修技术》、《数控系统结构与应用 （siemens）》、《数控系统安装与调试》和《数控机床故障分析与维修》 均以 THWSKW-2A 数控机床维修技能实训考核装置为主要教学仪器。数控设备应用与维护专业教学中很大一部分是围绕此装置开展的，如线路连接，机床故障排除，系统参数等。在设置故障时，通常采用的方法是人为断路，如压线皮，挑掉要断路的电线，以及接空线和更换坏件等[1]。
目前，设置故障时主要存在以下的问题[2-4]：（1） 设置故障的过程中存在一定的危险性，有可能对实训人员及设备造成损害；（2） 设置故障耗时较长；（3） 故障设置偶尔会由于人为因素设置不成功。为了解决这些问题，开发了一种基于单片机的数控机床故障模拟装置，可广泛应用于数控机床维修、机电一体化、自动化等专业教学领域，开发的教学实训项目适合高职院校人才的培养，具有推广价值。
1 、故障模拟装置的总体设计
为了让数控机床故障模拟装置设置故障时方便快捷，并且能够为数控装置提供实时性的反馈信号，故障模拟装置核心是由开关电源、单片机、继电器模块组、控制电路及控制程序组成；首先由开关电源给单片机及继电器模块组供电，单片机经编程，控制继电器模块组的工作，利用继电器模块组的触点来实现对主电路、控制电路及I/O点信号的通断控制，来实现对机床中各个部分故障的设置。开关电源通过线路与单片机和继电器模块组连接，单片机和显示屏通过J1接口连接，单片机通过J2接口与继电器模块组连接，继电器模块组与控制电路连接，控制数控机床上的数控系统启停、冷却泵电机运动、主轴电机正反转、换刀动作、X 轴返参运动、Z 轴返参运动、三色灯指示、X 轴超程硬限位报警、Z 轴超程硬限位报警等。
2 、故障模拟装置程序的设计
通 过 对 故 障 设 置 装 置 的 遥 控 ， 来 实 现THWSKW-2A 型数控机床维修技能实训装置的五大部分：NC启动、冷却泵电机、主轴电机、电动刀架、机床返参等故障的设置与排除，且在故障设置中，可以通过液晶屏显示直观看到相应故障的状态[5-6]。
数控机床故障设置装置的工作原理：由开关电源给单片机及继电器模块组供电，单片机经编程，控制继电器模块组的工作，利用继电器模块组触点的通断来实现对主 电 路 、 控 制 电 路 及PLC I/O点信号的控制，来实现对机床中各个部分故障的设置。
通过遥控器按键的定义来实现数控机床故障设置与排除，按键的具体定义如表1所示。
3 、故障模拟装置程序的编写
THWSKW-2A 型数控机床维修技能实训装置采用 Fanuc 公 司 的 Fanuc 0imate-TC 数 控 系 统 ， 包括：NC 系统、主轴装置、I/O模块、四方刀架、进给装置、电源模块和驱动装置组成。根据数控机床维修技能实训装置的控制原理图，完成不同故障模拟功能程序的编写。
数控机床的工作过程如下，机床通电开机→继电器KA1线圈得电→继电器KA1常开触点闭合→接触器KM1线圈得电→接触器KM1主触点闭合→变频器上电→PLC 输出 Q0.0(Q0.1)
为 DC24V →继电器 KA2(KA3)线圈得电→继电器 KA2(KA3)常开触点闭合→连接到变频器的端子STF(STR)和SD→变频器三相输出→主轴电机正(反)转。根据数控机床维修技能实训装置的工作流程，编写程序将其控制电路断开，从而实现设置故障的目的，单片机编写程序如图2所示。
图2 单片机程序的编写过程
4 、实验验证
数控机床故障模拟装置可实现数控机床故障的自动化设置，可以安全、准确、快捷的设置机床故障，故障点可遥控、可显示、可更换、可拓展，数控机床故障设置装置随时可与实训装置脱离，不影响其正常工作，此技术可在数控机床故障诊断与维修相关实训设备中推广，方便在故障维修实训教学中使用，如图 3 所示，为数控机床故障模拟装置实验过程。
图3 数控机床故障模拟装置实验过程
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