目前隨著航空航天、模具制造、汽車等技術(shù)的不斷發(fā)展，使數(shù)控機床成為制造業(yè)中*的加工設(shè)備。數(shù)控機床由于具有率、高質(zhì)量、高速度、高可靠性等特點，在自動化加工領(lǐng)域的占有率越來越高。而數(shù)控機床在長期運轉(zhuǎn)加工中不可避免會出現(xiàn)各種故障，因此對數(shù)控機床維修調(diào)試的高技能人才需求也越來越多。傳統(tǒng)的數(shù)控機床維修高技能人才的培養(yǎng)是由師徒模式進行的，顯然無法滿足當(dāng)前市場需求。高校要培養(yǎng)出實踐動手能力很強的數(shù)控維修高技能人才，需要集教學(xué)、實驗于一體的數(shù)控機床故障診斷模擬實驗設(shè)備。而由于數(shù)控機床價格昂貴，無法在教學(xué)中普遍使用，需結(jié)合現(xiàn)有數(shù)控實驗設(shè)備，設(shè)計并開發(fā)數(shù)控機床故障診斷模擬實驗臺，對學(xué)生進行專業(yè)性、實踐性都很強的數(shù)控教學(xué)。
一、實驗臺總體設(shè)計
本文采用西門子SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)，開發(fā)研制了數(shù)控調(diào)試維修實驗臺。它側(cè)重于機床各部件的電氣連接、各種信號測量、性能監(jiān)控、調(diào)試維修、故障設(shè)置及排除、PLC程序設(shè)
計、NC調(diào)試等實驗。對于數(shù)控機床的電氣、診斷、調(diào)試等方面的實訓(xùn)教學(xué)，需要實驗臺具有開放式的特點，便于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解。因此在教學(xué)實驗臺的設(shè)計思路中考慮設(shè)計一個開放的電氣柜，便于學(xué)習(xí)和掌握CNC數(shù)控系統(tǒng)的硬件連接、電氣設(shè)計、梯形設(shè)計、參數(shù)設(shè)置、故障診斷等多方面數(shù)控知識。本數(shù)控實驗臺的設(shè)計采用了開放式、模塊化的設(shè)計思想，盡可能多將數(shù)控機床的電器元件、組成等在實驗臺上展示出來，使學(xué)生對數(shù)控機床的電器元件、數(shù)控機床組成等有一個整體的認識，便于更好地完成數(shù)控人才培養(yǎng)的任務(wù)。
二、實驗臺硬件配置
1.數(shù)控系統(tǒng)選型
常見的數(shù)控系統(tǒng)有FANUC、SIEMENS、施耐德、華中等類型。其中西門子公司的SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)集成NCK、PLC、HMI于一體，具有功能強大、技術(shù)先進、性能完善、保護
性好、開放性好、通用性好等特點，通過PRO-FIBUS連接各部SIMODRIVE 611U數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)，可控制4個進給軸、1個數(shù)字或模擬主軸，是一款高性能、低價位的數(shù)控系統(tǒng)。由于本文設(shè)計的實驗臺要實現(xiàn)銑床功能，即1個主軸和3個進給軸，故選擇SINUMERIK 802D作為數(shù)控調(diào)試維修實驗臺的數(shù)控系統(tǒng)。
2.電機選型
伺服電機作為數(shù)控機床驅(qū)動坐標運動的執(zhí)行部件，不僅具有恒定輸出轉(zhuǎn)矩特性，而且還具有非常強的過載能力。伺服電機選型的主要依據(jù)是機床的設(shè)計性能指標，如進給軸的zui高速度、加速度、主軸功率和調(diào)速范圍以及機床實際應(yīng)用條件，如切削的材料、加工工藝參數(shù)、使用的刀具等條件。由于本文設(shè)計的數(shù)控維修實驗臺不進行實際的加工切削，且電機的工作制是短時工作制，即短時定額。因此，選配的電機型號分別為：主軸，1PH7107-2NF02-0CA0；X軸，1FK7060-F71-1AG0；Y軸，1FK7060-F71-1AG0；Z軸，1FK7063-F71-1AH0。
3.模塊設(shè)計與組成
根據(jù)教學(xué)需要，為便于學(xué)生全面理解數(shù)控知識，在實驗臺的設(shè)計中，將實驗臺按功能分割成六個開放式的功能模塊，分別為伺服驅(qū)動模塊、電器部分、模擬刀庫模塊、I/O模塊、數(shù)控裝
置和實驗板。
（1）伺服驅(qū)動模塊。與數(shù)控系統(tǒng)802D匹配的伺服驅(qū)動裝置是Simodrive611U E系列伺服驅(qū)動器，包括電源模塊和功率模塊。其中功率模塊采用雙軸模塊，電源模塊設(shè)為三相400V±10%，使驅(qū)動系統(tǒng)可在360V到440V范圍內(nèi)正常工作。進給軸選用1FK7系列伺服電機，主軸選用1PH7系列主軸電機。在伺服驅(qū)動模塊上預(yù)留了可供測量使能信號及編碼器信號的插孔，方便學(xué)生在實驗中測量各信號的狀態(tài)并進一步理解伺服驅(qū)動工作過程。
（2）電器部分。數(shù)控機床的電路有主電路和控制電路。主電路可實現(xiàn)電能的分配、短路保護、過載保護等功能，控制電路可實現(xiàn)機床照明、冷卻潤滑等。該模塊為數(shù)控機床的主電路，用來展示機床強電控制原理。
（3）模擬刀庫模塊。本實驗臺具有銑床功能，沒有刀庫，為了增加實驗臺的應(yīng)用功能，節(jié)約成本，特設(shè)計了該模塊，實現(xiàn)加工中心的自動換刀功能。
（4）I\O模塊。I\O模塊主要是把機床電器部件通過分線器與手輪和機床側(cè)信號相連，來展示機床上的行程開關(guān)、霍爾開關(guān)和機床操控面板開關(guān)等信號。在I\O模塊上設(shè)計了開關(guān)按鈕，可進行機床常見故障設(shè)置，同時在實驗臺的I/O模塊上預(yù)留了機床側(cè)的部分信號接插孔，用于接線及測量信號狀態(tài)，查找機床故障原因。
（5）數(shù)控裝置模塊。選用西門子802D數(shù)控系統(tǒng)，其計算機數(shù)控裝置CNC與顯示器集成為一體，數(shù)控裝置前面有可以作為數(shù)據(jù)存儲的PCMCIA卡插口。
（6）實驗板。實驗板設(shè)有故障設(shè)置模塊，用于在實驗或考核過程中人為設(shè)置故障。操作人員可以手動操作故障設(shè)置模塊上的各故障開關(guān)，設(shè)置不同的故障。故障設(shè)置模塊也可以和計算機相連，通過的計算機軟件設(shè)置故障，實驗臺上能夠?qū)崟r顯示當(dāng)前的故障點。本實驗臺共設(shè)置了23個按鈕，對應(yīng)不同的機床故障設(shè)置，各按鈕對應(yīng)的故障內(nèi)容如表1所示。
表1 機床故障設(shè)置對照表
 

三、實驗臺調(diào)試
按照設(shè)計要求正確安裝并連接數(shù)控系統(tǒng)的硬件后，需進行數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試內(nèi)容包括：PLC應(yīng)用程序、驅(qū)動器參數(shù)調(diào)試和數(shù)控系統(tǒng)的基本參數(shù)調(diào)試。
數(shù)控系統(tǒng)通電檢查無誤后，可進行PLC應(yīng)用程序的調(diào)試，以實現(xiàn)PLC相關(guān)功能正常運行。本實驗臺主要對數(shù)控系統(tǒng)工作方式選擇、進給倍率的選擇、急停、坐標軸手動控制、主軸手動控
制、手輪控制等PLC程序進行調(diào)試。調(diào)試方法如下：
（1）利用準備好的“802D調(diào)試電纜”將計算機和802D的COM1連接起來。802D必須進入聯(lián)機方式：系統(tǒng)→PLC→STEP7連接→設(shè)定通訊參數(shù)→選擇“連接開啟”。計算機啟動PLC編程工具，進入通訊畫面，設(shè)定通訊參數(shù)，如波特率等。
（2）編譯PLC應(yīng)用程序，并利用PLC編程工具軟件將該應(yīng)用程序下載到802D中。
（3）啟動PLC應(yīng)用程序，可利用監(jiān)控梯形圖的狀態(tài)，也可利用“交叉引用表”來檢查是否有地址沖突。將設(shè)計好的PLC程序通過RS232通訊電纜下載到802D系統(tǒng)中，進行調(diào)試，802D系統(tǒng)不支持PLC程序的修改，所以要修改PLC程序需將其上載到計算機內(nèi)再進行修改，重復(fù)上述過程進行調(diào)試，直到成功為止。
PLC應(yīng)用程序的基本功能調(diào)試完畢后，數(shù)控系統(tǒng)可在模擬方式下進行模擬操作。
四、實驗臺功能
為了在教學(xué)中使學(xué)生熟悉數(shù)控機床常見故障種類并掌握數(shù)控機床常見故障的排除方法，本文設(shè)計的實驗臺可進行數(shù)控數(shù)控機床故障設(shè)置與診斷實驗，如數(shù)控系統(tǒng)無法啟動、數(shù)控機床驅(qū)動無法得電、故障板設(shè)置故障等。
（1）數(shù)控系統(tǒng)無法啟動實驗。
故障現(xiàn)象：上電后，按下系統(tǒng)啟動鍵，數(shù)控系統(tǒng)沒有反應(yīng)。
故障排查：檢查實驗板上各個電路空氣開關(guān)是否合閉，特別是數(shù)控系統(tǒng)控制空開的狀態(tài)，若有未合閉空開，合上電源，故障將排除。若無上述故障，從數(shù)控系統(tǒng)端開始用萬用表檢查電
路是否接通，檢查出未連接牢固的接線端子，接好電路。故障排除后，系統(tǒng)重新上電。
（2）數(shù)控機床驅(qū)動無法得電。
故障現(xiàn)象：開機后，數(shù)控機床驅(qū)動部分無電壓。
故障排查：斷開模擬電壓+/-10V端。1）按“自動方式” →鍵入“M03S500” →按“回車/輸入”鍵→按“數(shù)控啟動”鍵。2）主軸不運轉(zhuǎn)，觀察I/O模塊演示板的Q0.0的紅色指示燈是否亮，亮著表示正轉(zhuǎn)有效。3）重復(fù)步驟1，主軸運轉(zhuǎn)。
（3）故障板設(shè)置故障并排除。
故障設(shè)置：按下故障板上任意一個開關(guān)按鈕后，機床某個功能不能實現(xiàn)。例如各種限位開關(guān)、減速開關(guān)、各種按鈕的故障等。
故障排查：根據(jù)故障現(xiàn)象，查找相對應(yīng)開關(guān)按鈕，重新操作機床，故障排除。
五、小結(jié)
本文設(shè)計并開發(fā)了基于SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床故障診斷模擬教學(xué)實驗臺，并進行了子系統(tǒng)連接與調(diào)試。
該數(shù)控實驗臺采用了開放性和模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，盡可能把數(shù)控機床的電氣部件在綜合實驗臺上展示，讓學(xué)生對數(shù)控機床電氣組成、運行機制有一個整體概念。利用該實驗臺可進行各種機床故障設(shè)置實驗，學(xué)生可以自己動手操作，對數(shù)控機床的各個環(huán)節(jié)理解更加透徹。實踐證明，該實驗臺對數(shù)控技術(shù)實踐教學(xué)有很好的促進作用，有利于為社會培養(yǎng)更多的數(shù)控技術(shù)人才。從長遠看，將該實驗臺用于高校實踐教學(xué)中具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益