齊洪方，楊鳴謙

數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在機(jī)床的使用過(guò)程中如果出現(xiàn)故障，需要盡快排除故障，保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，這就需要配備大量數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修方面的人才。數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修對(duì)實(shí)踐訓(xùn)練的要求較高，需要有專門的設(shè)備提供給學(xué)生進(jìn)行動(dòng)手訓(xùn)練，然而目前市場(chǎng)所擁有的數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)設(shè)備難以滿足教學(xué)的要求，并且價(jià)格較高，因此迫切需要研發(fā)一種新型的數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修實(shí)訓(xùn)設(shè)備。

1 故障設(shè)置的基本思想

故障的設(shè)置采用PC機(jī)作為上位機(jī)，Arduino作為下位機(jī)，PC與Arduino使用串口進(jìn)行通信，使用USB－B型線與Arduino相連，PC端使用Lab-VIEW開發(fā)的上位機(jī)軟件，需要產(chǎn)生故障時(shí)，上位機(jī)發(fā)送指令給下位機(jī)，下位機(jī)驅(qū)動(dòng)8位繼電器板，根據(jù)不同的故障設(shè)置開閉繼電器，從而產(chǎn)生故障，故障產(chǎn)生方式見表1。

故障的詳細(xì)解釋:

a.刀架不停。

表1 故障產(chǎn)生方式

數(shù)控刀架的換刀過(guò)程:當(dāng)有手動(dòng)或自動(dòng)換刀指令時(shí)，經(jīng)系統(tǒng)處理變?yōu)榈段恍盘?hào)，刀架正轉(zhuǎn)有效，PMC使繼電器線圈通電，繼電器觸點(diǎn)閉合，接通交流接觸器的控制端，交流接觸器吸合，刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)PMC輸入點(diǎn)檢測(cè)到對(duì)應(yīng)的刀位信號(hào)時(shí)，正轉(zhuǎn)指令撤銷，刀架停止正轉(zhuǎn);接著刀架反轉(zhuǎn)，延時(shí)一段時(shí)間(該時(shí)間由參數(shù)設(shè)定，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整);然后刀架反轉(zhuǎn)停止，換刀過(guò)程完成。

當(dāng)產(chǎn)生故障時(shí)，斷開了2號(hào)刀霍爾元件的反饋信號(hào)，因此如果要執(zhí)行T02指令，PMC將無(wú)法知道2號(hào)刀是否到位，因此會(huì)不停的正轉(zhuǎn)。

b.機(jī)床門報(bào)警。

數(shù)控車床的電氣柜設(shè)置有接觸開關(guān)，當(dāng)機(jī)床電氣柜門關(guān)閉時(shí)，開關(guān)接通，機(jī)床方可正常運(yùn)行，否則將觸發(fā)門未關(guān)閉的報(bào)警。

當(dāng)產(chǎn)生故障時(shí)，斷開電氣柜門接觸開關(guān)的信號(hào)，PMC始終檢測(cè)不到機(jī)床門關(guān)閉，因此會(huì)持續(xù)報(bào)警無(wú)法消除，實(shí)際情況中產(chǎn)生這種故障的原因可能是行程開關(guān)故障，線路斷開，或者是機(jī)床門鎖的間隙過(guò)大，導(dǎo)致門關(guān)上了也無(wú)法觸發(fā)開關(guān)。

c.回不了原點(diǎn)。

本數(shù)控實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用的是增量式的編碼器，因此每次在使用前都應(yīng)進(jìn)行回參考點(diǎn)操作，F(xiàn)anuc數(shù)控系統(tǒng)的回參考點(diǎn)方式為:軸向預(yù)定點(diǎn)方向快速運(yùn)動(dòng)，擋塊壓下零點(diǎn)開關(guān)后減速向前繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直到擋塊脫離零點(diǎn)開關(guān)后，數(shù)控系統(tǒng)開始尋找零點(diǎn)，當(dāng)接收到第一個(gè)零點(diǎn)脈沖時(shí)，則以工作臺(tái)當(dāng)前位置作為參考點(diǎn)位置。

當(dāng)故障產(chǎn)生時(shí)，切斷機(jī)床的零點(diǎn)開關(guān)信號(hào)，因此機(jī)床在回原點(diǎn)的過(guò)程中并不會(huì)停下，而是直接走到機(jī)床對(duì)應(yīng)軸的極限行程開關(guān)停下，并觸發(fā)超程報(bào)警。

d.急停不消除。

Fanuc數(shù)控系統(tǒng)的PMC設(shè)定X8.4為急停報(bào)警接口。

當(dāng)故障產(chǎn)生時(shí)，將24V電源直接接在 X8.4上，機(jī)床持續(xù)報(bào)警且不消除。

e.刀架不轉(zhuǎn)。

和刀架不停類似，切斷的是刀架正轉(zhuǎn)信號(hào)，啟動(dòng)換刀命令時(shí)，繼電器得不到來(lái)自PMC端的信號(hào)，刀架電源無(wú)法接通，因此刀架不轉(zhuǎn)，程序停步。

f.所有PMC輸出功能無(wú)效。

由于機(jī)床的PMC的IO信號(hào)比較多，通常采用的是繼電器模塊，而繼電器模塊的供電是由開關(guān)電源提供的。

故障產(chǎn)生時(shí)，切斷繼電器模塊的供電，這時(shí)所有的IO輸出功能無(wú)效。

g.主軸速度不正確。

主軸連接變頻器，其轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)控制都由變頻器控制，其中，轉(zhuǎn)速是由0～10V的電壓控制的，如果切斷來(lái)自NC端的模擬信號(hào)，或者連接一個(gè)恒定的電壓，主軸將會(huì)旋轉(zhuǎn)，但是速度變?yōu)椴豢煽亍?/p>

h.主軸不轉(zhuǎn)。

本數(shù)控實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用的是三菱RF－E740變頻器，其正反轉(zhuǎn)控制由STF和STR控制，這兩個(gè)信號(hào)的公共接線端為SD。PMC控制主軸正反轉(zhuǎn)時(shí)，PMC的DO信號(hào)控制中間繼電器的通斷，使STF和STR分別與公共端相連，從而控制正反轉(zhuǎn)。

當(dāng)產(chǎn)生故障時(shí)，切斷公共端的連線，則正反轉(zhuǎn)信號(hào)無(wú)效，體現(xiàn)為主軸不轉(zhuǎn)。

2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)采用成熟的Arduino UNO控制板，Arduino是一個(gè)基于開放原始碼的軟硬體平臺(tái)，構(gòu)建于開放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類似 Java，C 語(yǔ)言的 Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境［1］。

Arduino是一款易用的AVR開發(fā)板，是對(duì)于AVR單片機(jī)的重新封裝，自帶USB模擬串口，可以通過(guò)串口刷新程序和通信，它沒有復(fù)雜的單片機(jī)底層代碼，沒有難懂的匯編，只是簡(jiǎn)單而實(shí)用的函數(shù)［2］。

Arduino程序如下:

void setup(){

//initialize serial communication at 9600 bits per second:

Serial.begin(9600);

while(!Serial){

;//wait for serial port to connect.Needed for Leonardo only

}

}

//the loop routine runs over and over again forever:

……

if(ctrl== ＇d＇){

while(!Serial.available());

unsigned char do_data=Serial.read();

do_u8(do_data);

Serial.println(do_data);//反饋接收的數(shù)據(jù)，調(diào)試使用。

}

}

}

unsigned char out;

unsigned char i;//輸出開始的引腳，輸出引腳從2到9

void do_u8(unsigned char do_data){

for(i=2;i＜10;i++){

out=do_data＆0x01;//取最低位依次輸出

if(out){

digitalWrite(i，HIGH);

}

else{

digitalWrite(i，LOW);

}

do_data＞＞=1;

}

}

本平臺(tái)中使用的Arduino UNO開發(fā)板，采用了一塊ATmega328芯片，利用USB直接供電和通信，14個(gè)數(shù)字IO口和6個(gè)模擬IO口，本項(xiàng)目中用8個(gè)數(shù)字IO口控制繼電器模塊，如圖1所示。

圖1 Arduino及故障設(shè)置繼電器

繼電器模塊帶有光耦隔離，常開接口最大負(fù)載:交流250V/10A，直流30V/10A，高低觸發(fā)選擇，當(dāng)VREF端口通高電平，方式為低導(dǎo)通，反之為高導(dǎo)通，導(dǎo)通電流為3mA，繼電器工作電流為70mA，當(dāng)8個(gè)繼電器同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)候所需的驅(qū)動(dòng)電流約為600mA，而電腦USB口額定的負(fù)載電流為500mA左右，因此在改進(jìn)中，添加了一塊LM2596直流電源模塊，如圖2所示，輸入電壓范圍:直流3.2V ～40V，輸出電壓范圍:直流1.2V～35V電壓連續(xù)可調(diào)，將開關(guān)電源提供的24V電壓轉(zhuǎn)換成5V電壓，用于驅(qū)動(dòng)繼電器模塊，其最大的負(fù)載能力為3A，在驅(qū)動(dòng)能力上提供了較大的余量。

圖2 5V電源模塊

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用了LabVIEW編程，通過(guò)串口和下位機(jī)通信。LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是:其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式［3－4］，如圖3所示。一是使用簡(jiǎn)便，編程快捷;二是結(jié)構(gòu)清晰，便于后續(xù)的擴(kuò)展。

在和Arduino通信上，采用了經(jīng)封裝的一套類庫(kù)，在Arduino上燒入下位機(jī)程序，就能通過(guò)Lab-VIEW程序?qū)rduino進(jìn)行控制。

圖3 程序前面板

程序的有關(guān)說(shuō)明:(1)程序的主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)循環(huán)事件結(jié)構(gòu)，當(dāng)故障設(shè)置按鈕為按下狀態(tài)時(shí)，每100ms一次，將按鍵的狀態(tài)發(fā)送至下位機(jī)，并接收調(diào)試用的返回信號(hào)。(2)事件結(jié)構(gòu)的超時(shí)時(shí)間設(shè)置為0，如果在循環(huán)中沒有事件發(fā)生，就立即跳出事件結(jié)構(gòu)，防止死循環(huán)。當(dāng)故障設(shè)置按鍵彈起時(shí)，觸發(fā)故障設(shè)置值改變事件，程序進(jìn)入事件結(jié)構(gòu)，所有的故障取消，釋放串口資源。(3)init為初始化串口通信，DO為數(shù)字量輸出，closedevice為釋放串口資源。

4 結(jié)論

本文主要基于LabVIEW的數(shù)控維修實(shí)訓(xùn)平臺(tái)故障設(shè)置模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，該模塊設(shè)置故障方便、系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠很好地滿足教學(xué)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，當(dāng)然目前設(shè)計(jì)的故障數(shù)量還比較少，還需要對(duì)故障設(shè)置的數(shù)量以及故障內(nèi)容進(jìn)行更加深入的研究。

［1］ Language Reference，Arduino［EB/OL］.http://arduino.cc/en/Reference/HomePage.

［2］ 程晨.Arduino開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南(AVR篇)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［3］ 鄭對(duì)元.精通LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2012.

［4］ 阮奇楨.我和 Lab VIEW:一個(gè) NI工程師的十年編程經(jīng)驗(yàn)［M］.2版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2012.