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基於單片機的（de）數控機床故障模擬裝置（zhì）的開發

2017-11-29 來源：天津中德職業（yè）技術學院作者：王春光，左維，張建新

摘（zhāi）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（jiān）、教（jiāo）學效率低。為了解決這一問題，在THWSKW-2A教學儀器上（shàng）開發了基於（yú）單片機的數控機床故障模擬裝置，包括（kuò）開關電源、單（dān）片機、繼電器模塊組以及控製電路。經過實踐證明（míng），該裝置操作方便，適用性（xìng）高，可廣泛應用於數控機床維（wéi）修、機（jī）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（kòng）機床；故障模擬；機床維修

0 引言（yán）

數控設備應用與維護專業（yè）課程《數控機床維修技術》、《數控係統結構（gòu）與應用（siemens）》、《數控係統安裝與調試》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（yòng）與維護專業教學中（zhōng）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，係統參數等。在設置故障時，通（tōng）常采（cǎi）用的（de）方法是人為斷路，如壓線（xiàn）皮（pí），挑掉要斷路的電（diàn）線，以（yǐ）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（kě）能對實訓人員及設備造成損害；（2）設置故障（zhàng）耗時（shí）較長（zhǎng）；（3）故障（zhàng）設置偶爾會由於人為因素設置不成功。為了解決這些問（wèn）題，開發了一種基於單片機的數控機床故障模擬裝置，可廣泛應用（yòng）於數控機床維修、機電一體化、自（zì）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（guǎng）價值。

1 、故障模擬裝置的總體設計

為了讓數控機（jī）床故障模擬裝（zhuāng）置設置故障（zhàng）時方便快捷，並且能夠為數控裝置提供實時（shí）性的反饋信號，故障模擬（nǐ）裝置核心是由開關電源、單片機、繼電器模塊組、控製電路及控製程序組成；首先由開關電源（yuán）給單片機及繼電器模塊組供電，單片機經編程（chéng），控製繼（jì）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、控製電路及I/O點信號的通斷控製，來實（shí）現對機床中各個部分故障的設置。開關電源（yuán）通過（guò）線路與單片機和繼電器（qì）模塊組連接，單（dān）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（kuài）組與控製電路連接，控製數控機床上（shàng）的數控係（xì）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（cān）運動、Z 軸返參運動、三色燈指示、X 軸超程硬限位報警（jǐng）、Z 軸超程硬限位（wèi）報警（jǐng）等。

2 、故障模擬裝置程序的設計

通過對故（gù）障設置裝置的遙控（kòng），來實現THWSKW-2A 型數控機床維修技（jì）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（de）設置與排除，且在故障設置中，可以通過液晶屏顯示直（zhí）觀看到相應故障的狀態[5-6]。

數控機床故障設置裝置的工（gōng）作原理：由開關電源給單片機及（jí）繼電器模（mó）塊組供電，單片機經編程，控製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、控製電路及PLC I/O點信號的控製，來實現對機床中各個部分故障的設置。

通過（guò）遙控器按鍵的定義（yì）來實現數控機床故障設置與排除，按（àn）鍵的具體定義如表1所示（shì）。

3 、故障模擬（nǐ）裝置程序的編寫

THWSKW-2A 型數（shù）控機床維修技能實訓裝置采用 Fanuc 公司的 Fanuc 0imate-TC 數控係統，包括：NC 係統、主軸裝置、I/O模（mó）塊、四方刀（dāo）架、進給（gěi）裝置、電源模塊和驅動裝置組（zǔ）成。根據數控機床維修技能（néng）實訓裝置的控製原理圖，完成不同（tóng）故障模擬功能程序的編寫。

數控機床（chuáng）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（cháng）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（shū）出（chū） Q0.0(Q0.1)

為 DC24V →繼電器 KA2(KA3)線圈得電→繼電器 KA2(KA3)常開觸點（diǎn）閉合→連接到變頻器的端子STF(STR)和SD→變（biàn）頻器三相輸出→主軸電機正(反)轉。根據數控機（jī）床維修技能實訓裝（zhuāng）置的工作流程，編寫程序將其控製電（diàn）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（kòng）、可顯示、可更換、可（kě）拓展（zhǎn），數控機床故障設置裝置隨時可與實訓裝置脫離（lí），不影響其正常工作，此技術（shù）可在（zài）數控機床故障診斷與維修相關實訓設備（bèi）中推廣，方便（biàn）在（zài）故（gù）障維修（xiū）實訓教學（xué）中使用，如圖 3 所示，為（wéi）數控機床故障（zhàng）模擬裝置實驗（yàn）過程。

圖3 數控機床故障模擬（nǐ）裝置（zhì）實驗過程

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