孫東山，唐小琦，宋 寶，任清榮

(華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)部零件受到力、熱、摩擦、磨損等多種作用，其運(yùn)行狀態(tài)不斷發(fā)生變化，為了避免發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，數(shù)控裝置的故障自診斷功能十分重要，保護(hù)機(jī)床及幫助維修人員迅速找到故障發(fā)生的原因和部位。在數(shù)控裝置開(kāi)發(fā)、測(cè)試故障自診斷功能的環(huán)節(jié)中，數(shù)控裝置需要與主軸驅(qū)動(dòng)器及主軸電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)、PLC及機(jī)床本體等聯(lián)機(jī)調(diào)試，成本高，且不方便。故障模擬裝置為總線式數(shù)控裝置測(cè)試故障自診斷功能提供一種方便的測(cè)試工具，測(cè)試時(shí)該裝置與數(shù)控裝置通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可模擬機(jī)床本體故障、可編程控制器(PLC）故障、伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)故障、主軸驅(qū)動(dòng)器和主軸電機(jī)故障等，測(cè)試數(shù)控裝置各類故障的響應(yīng)、保護(hù)和自我修復(fù)等功能［1］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了讓測(cè)試人員模擬故障時(shí)方便快捷，并且能夠?yàn)閿?shù)控裝置提供實(shí)時(shí)性的反饋信號(hào)，故障模擬裝置由上位機(jī)、下位機(jī)、測(cè)試站卡三部分組成。如圖1所示，是故障模擬裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。上位機(jī)為運(yùn)行WINDOWS操作系統(tǒng)的PC機(jī)，可以為測(cè)試人員開(kāi)發(fā)可友好人機(jī)交互的應(yīng)用軟件。下位機(jī)為工業(yè)PC，采用威達(dá)公司的PM-945GSE，運(yùn)行打上實(shí)時(shí)補(bǔ)丁的Linux-RTAI實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，滿足反饋信號(hào)的實(shí)時(shí)性要求。上下位機(jī)都自帶通用以太網(wǎng)卡，通過(guò)以太網(wǎng)連接，二者通信采用TCP/IP協(xié)議。測(cè)試站(模擬從站）在硬件體系結(jié)構(gòu)上和數(shù)控裝置中的主站一樣，底層的協(xié)議程序不同，可從網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)幀下載或上傳所有從站的數(shù)據(jù)，測(cè)試站與工業(yè)PC通過(guò)PCI局部總線連接［2］。總線式數(shù)控裝置通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與故障模擬裝置對(duì)連，構(gòu)成一個(gè)環(huán)形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主軸從站，伺服從站，IO從站不需串入網(wǎng)絡(luò)即可對(duì)數(shù)控裝置的故障自診斷等功能進(jìn)行測(cè)試。

圖1 故障模擬裝置硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)故障模擬的任務(wù)需求，軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示，各功能模塊根據(jù)任務(wù)劃分如下:①上位機(jī):機(jī)床邏輯模型編輯模塊，使用華中數(shù)控的梯形圖編輯軟件建模;機(jī)床配置模塊，配置機(jī)床類型、機(jī)床邏輯模型、從站、通信、故障庫(kù)等;故障設(shè)置模塊，設(shè)置需要模擬的數(shù)控機(jī)床故障;圖形顯示模塊，顯示機(jī)床加工軌跡及PLC狀態(tài);通訊模塊，采用TCP/IP協(xié)議，應(yīng)用SOCKET套接字與下位機(jī)通信。②下位機(jī):通訊模塊，采用TCP/IP協(xié)議，應(yīng)用SOCKET套接字與上位機(jī)通信;機(jī)床邏輯模型運(yùn)算模塊，周期運(yùn)算上位機(jī)配置的機(jī)床模型［3］。

圖2 故障模擬裝置軟件結(jié)構(gòu)

2 機(jī)床邏輯模型的構(gòu)建

數(shù)控機(jī)床故障模擬技術(shù)的關(guān)鍵在于機(jī)床邏輯模型的構(gòu)建，使故障模擬裝置能夠?qū)崿F(xiàn)與實(shí)際機(jī)床相同的邏輯響應(yīng)，仿真實(shí)際機(jī)床的理想運(yùn)行狀態(tài)。華中數(shù)控開(kāi)發(fā)的基于Linux-RTAI實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件PLC具有良好的實(shí)時(shí)性，圖形化的梯形圖編程環(huán)境，該裝置的機(jī)床邏輯模型通過(guò)該編程環(huán)境編寫梯形圖程序建模。

為了使機(jī)床邏輯模型與實(shí)際機(jī)床的邏輯狀態(tài)一致，梯形圖參照實(shí)際機(jī)床的電氣原理圖編寫。以hnc-21數(shù)控銑床為參考對(duì)象，如圖3所示，構(gòu)建完機(jī)床邏輯模型后，在模型中嵌入故障點(diǎn)，每一個(gè)故障點(diǎn)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的故障信息。這些故障信息以故障庫(kù)的形式為用戶提供設(shè)置選項(xiàng)。按照故障發(fā)生部位，將故障分為電氣主回路、主軸系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、機(jī)床保護(hù)、換刀裝置、冷卻裝置、液壓裝置、潤(rùn)滑裝置等類型。其中主軸系統(tǒng)故障有主軸未緊刀、主軸速度未到、主軸缺失A檔到位信號(hào)等故障。故障庫(kù)的建立，為故障設(shè)置模塊提供故障信息。

圖3 數(shù)控銑床電氣原理圖

文章以主軸系統(tǒng)的建模為例，介紹數(shù)控機(jī)床邏輯模型的構(gòu)建。對(duì)于主軸系統(tǒng)，啟動(dòng)主軸之前，為了保護(hù)操作人員安全，數(shù)控裝置會(huì)監(jiān)測(cè)主軸緊刀信號(hào)，如果未檢測(cè)到信號(hào)，數(shù)控裝置會(huì)產(chǎn)生報(bào)警提示，同時(shí)無(wú)法啟動(dòng)主軸;主軸啟動(dòng)后，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主軸運(yùn)行狀態(tài)，數(shù)控裝置周期性監(jiān)測(cè)主軸速度到位信號(hào)，換擋檔位信號(hào)等。模擬數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)時(shí)，模型需要輸出主軸緊刀，主軸速度到位等信號(hào)，同時(shí)在模型中嵌入故障點(diǎn)，激活時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)故障信號(hào)。

如圖4所示，為機(jī)床主軸系統(tǒng)的梯形圖。y2.0為主軸緊刀信號(hào)，是數(shù)控系統(tǒng)PLC的X02.0輸入信號(hào)，正常態(tài)Y02.0輸出高電平，設(shè)置主軸未緊刀時(shí)，x13.5輸入為高電平時(shí)，Y02.0輸出低電平，數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到主軸未緊刀信號(hào)停止加工，產(chǎn)生報(bào)警提示。主軸啟動(dòng)后主軸速度到信號(hào)為高電平，通過(guò)延時(shí)處理模擬主軸速度到達(dá)的過(guò)程，y3.0為主軸速度到信號(hào)，是數(shù)控系統(tǒng)PLC的X03.0的輸入信號(hào)，x12.5為主軸速度未到達(dá)故障，輸入為高電平時(shí)，y3.0在主軸啟動(dòng)后輸出低電平。y3.1為主軸過(guò)熱信號(hào)，是數(shù)控系統(tǒng)X03.1輸入信號(hào)，x13.1為主軸過(guò)熱故障，主軸啟動(dòng)后，x13.1輸入為高電平時(shí)，y3.1輸出高電平，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警。x2.5，x2.6，x2.7的輸入信號(hào)為數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置式PLC的Y02.5，Y02.6，Y02.7輸出信號(hào)，分別表示主軸換A檔，主軸換B檔，主軸換C檔，y2.5，y2.6，y2.7分別為數(shù)控系統(tǒng) PLC的 X02.5，X02.6，X02.7 的輸入信號(hào)。x13.2，x13.3，x13.4分別表示主軸A檔未到位，主軸B檔未到位，主軸C檔未到位故障［4］。

圖4 機(jī)床主軸系統(tǒng)梯形圖

上文詳細(xì)介紹了機(jī)床邏輯模型的構(gòu)建原理，模型建立后由圖形化梯形圖編輯模塊生成可執(zhí)行的PLC文件。可執(zhí)行文件由基于Linux-RTAI實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件PLC運(yùn)行，如圖5，是故障模擬裝置內(nèi)置式PLC的邏輯結(jié)構(gòu)圖。機(jī)床側(cè)的反饋信號(hào)由故障模擬裝置內(nèi)置式PLC產(chǎn)生，上位機(jī)故障模擬軟件生成故障信號(hào)，為機(jī)床邏輯模型提供故障點(diǎn)激活的條件［5］。

圖5 故障模擬軟件PLC結(jié)構(gòu)圖

3 上下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)

為了使測(cè)試人員在上位機(jī)設(shè)置的故障數(shù)據(jù)及時(shí)激活運(yùn)行中的機(jī)床邏輯模型的故障點(diǎn)，上下位機(jī)之間必須建立一個(gè)可靠的通信連接。該裝置采用TCP/IP協(xié)議，傳輸層基于TCP的Socket進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。TCP(Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議），是一種面向連接的可靠傳輸協(xié)議，其工作原理是兩個(gè)進(jìn)程在利用TCP協(xié)議通信前必須先建立連接［6］。

上位機(jī)運(yùn)行故障模擬軟件。如圖6所示，是上位機(jī)狀態(tài)圖。①開(kāi)始:上位機(jī)上電啟動(dòng)故障模擬軟件，進(jìn)行初始化操作，可進(jìn)入通訊狀態(tài)。②結(jié)束:完成故障模擬，退出。③查詢等待:未和下位機(jī)聯(lián)系上，在此狀態(tài)等待，一直到和下位機(jī)聯(lián)系上，又或者結(jié)束。④查詢:發(fā)送查詢幀到網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)是否有下位機(jī)響應(yīng)。⑤通訊等待:已經(jīng)和下位機(jī)聯(lián)系上，但沒(méi)有事物處理，正在等待進(jìn)一步的事務(wù)處理。⑥發(fā)送:檢測(cè)到配置機(jī)床模型、初始化、運(yùn)行機(jī)床模型等消息時(shí)進(jìn)入此狀態(tài)，組織數(shù)據(jù)包，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。⑦重發(fā):發(fā)送失敗時(shí)進(jìn)入此狀態(tài)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)重發(fā)數(shù)據(jù)包。

圖6 上位機(jī)狀態(tài)圖

下位機(jī)主要進(jìn)行機(jī)床邏輯模型的運(yùn)算。如圖7所示，是下位機(jī)狀態(tài)圖。①開(kāi)始:起始狀態(tài)，下位機(jī)上電成功，并且完成初始化過(guò)程，可進(jìn)入到通訊狀態(tài)。②結(jié)束:完成故障模擬，退出。③等待查詢:若沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)事務(wù)發(fā)生，下位機(jī)一直處于此狀態(tài)，等待下一次網(wǎng)絡(luò)事務(wù)。④模型配置:檢測(cè)到上位機(jī)的配置模型命令，解析數(shù)據(jù)包后保存有效數(shù)據(jù)。⑤初始化:成功進(jìn)行模型配置后進(jìn)入此狀態(tài)，檢測(cè)到上位機(jī)初始化命令后進(jìn)行總線驅(qū)動(dòng)初始化。⑥常態(tài)運(yùn)行:初始化成功后可進(jìn)入此狀態(tài)，檢測(cè)到上位機(jī)運(yùn)行機(jī)床模型命令后，啟動(dòng)邏輯模型運(yùn)算狀態(tài)，若沒(méi)有監(jiān)測(cè)到故障設(shè)置命令，常態(tài)下運(yùn)行機(jī)床邏輯模型。⑦故障態(tài)運(yùn)行:故障條件滿足或檢測(cè)到故障設(shè)置后，喚醒邏輯模型中的相應(yīng)故障點(diǎn)，故障態(tài)下運(yùn)行邏輯模型［7］。

圖7 下位機(jī)狀態(tài)圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證故障模擬裝置的在實(shí)際應(yīng)用中的效果，以HNC-08總線式數(shù)控系統(tǒng)為研究對(duì)象。HNC-08系統(tǒng)報(bào)警分兩類:一類是系統(tǒng)內(nèi)部報(bào)警，另一類是用戶擴(kuò)展報(bào)警。系統(tǒng)內(nèi)部報(bào)警由CNC系統(tǒng)內(nèi)部定義，不能更改。用戶擴(kuò)展報(bào)警由用戶定義，擴(kuò)展報(bào)警時(shí)設(shè)置報(bào)警信息布爾值。這類報(bào)警由機(jī)床廠家根據(jù)實(shí)際需求制訂，在數(shù)控系統(tǒng)的PLC程序中加入報(bào)警信息對(duì)應(yīng)的IO點(diǎn)，通過(guò)掃描IO點(diǎn)監(jiān)測(cè)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)。

數(shù)控機(jī)床的自我保護(hù)功能非常重要，這里選擇模擬機(jī)床保護(hù)類的故障來(lái)測(cè)試數(shù)控系統(tǒng)對(duì)該該類故障的響應(yīng)。這種類型的故障主要是各軸的正負(fù)超程，機(jī)床急停，和防護(hù)門故障模擬。以超程故障為例，這類故障的模擬有兩種方法:

一種是限位開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障，各軸可能沒(méi)有真正的超程，只是某一限位開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障，觸點(diǎn)非正常壓合，我們可以人為設(shè)置某一軸的限位開(kāi)關(guān)閉合，設(shè)置“X正限位開(kāi)關(guān)不良”，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生“X正超程”，“機(jī)床急?！眻?bào)警;另一種是在故障模擬軟件中設(shè)置虛擬機(jī)床的限位范圍，如圖8所示。在故障模擬軟件中設(shè)置Y軸的負(fù)限位為-100mm，數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行G代碼，如果Y軸坐標(biāo)超過(guò)-100mm，故障模擬裝置會(huì)給數(shù)控系統(tǒng)反饋Y軸負(fù)向超程開(kāi)關(guān)信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生“Y軸負(fù)超程”，“機(jī)床急?！眻?bào)警。機(jī)床急停的模擬，就是模擬急停開(kāi)關(guān)被按下，給數(shù)控系統(tǒng)一個(gè)機(jī)床開(kāi)關(guān)壓合的信號(hào)即可達(dá)到模擬目的。設(shè)置“機(jī)床急?！保瑪?shù)控系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生“緊急停止”報(bào)警。如圖9所示，是HNC-08數(shù)控裝置檢測(cè)到超程故障時(shí)的產(chǎn)生的報(bào)警提示，并且鎖住機(jī)床，停止運(yùn)行，防止機(jī)床本體受損或危害操作人員安全［8］。

圖8 故障模擬軟件

圖9 HNC-08數(shù)控裝置設(shè)置的報(bào)警提示圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)比傳統(tǒng)的測(cè)試數(shù)控裝置故障自診斷方法基礎(chǔ)上，提出了基于構(gòu)建機(jī)床邏輯的方法，研制出數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置。并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行故障模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置可以實(shí)時(shí)模擬數(shù)控機(jī)床的故障信號(hào)，為數(shù)控裝置的開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)成本低廉，操作方便的測(cè)試工具。

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