觸屏式數(shù)控機(jī)床維修教學(xué)設(shè)備設(shè)計(jì)

李奇亮

南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇南京 215137

觸屏式數(shù)控機(jī)床維修教學(xué)設(shè)備設(shè)計(jì)

李奇亮

南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇南京 215137

在數(shù)控機(jī)床裝調(diào)與維修實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中，如何直觀高效地進(jìn)行電氣控制線路故障邏輯分析及查找，數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)誤設(shè)的恢復(fù)，故障現(xiàn)象和故障類型的必然性聯(lián)系判斷，采用PMC編程法的機(jī)床功能修改以及機(jī)電聯(lián)機(jī)調(diào)試等實(shí)訓(xùn)課題是目前數(shù)控設(shè)備應(yīng)用與維護(hù)等相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)中普遍存在的難點(diǎn)。針對(duì)這些關(guān)鍵問(wèn)題，基于觸摸屏和強(qiáng)抗干擾技術(shù)設(shè)計(jì)出自動(dòng)設(shè)故的數(shù)控機(jī)床維修教學(xué)設(shè)備，該設(shè)備具有設(shè)故高效率、智能化、成本低等特點(diǎn)。該項(xiàng)目的完成為機(jī)床裝調(diào)與維修、電氣控制等實(shí)訓(xùn)教學(xué)創(chuàng)造了有利條件，同時(shí)提升了教師的教學(xué)水平和學(xué)生的綜合能力，為進(jìn)一步擴(kuò)大校企合作領(lǐng)域奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

觸摸屏；故障；數(shù)控車床；教學(xué)設(shè)備；電氣控制系統(tǒng)

根據(jù)機(jī)床行業(yè)調(diào)查，數(shù)控人才的市場(chǎng)需求已從初期的數(shù)控操作、數(shù)控編程轉(zhuǎn)向了技術(shù)含量較高的數(shù)控機(jī)床調(diào)試、維護(hù)與維修，維修力量不足是影響數(shù)控機(jī)床利用率和完好率的主要因素，大量機(jī)械制造行業(yè)和裝備制造企業(yè)急需大量數(shù)控機(jī)床維修人才。所以加大對(duì)數(shù)控設(shè)備維護(hù)人員的培養(yǎng)、提升學(xué)習(xí)效果是目前職業(yè)院校相關(guān)專業(yè)的使命所在。

在數(shù)控設(shè)備應(yīng)用與維護(hù)相關(guān)專業(yè)職業(yè)教育實(shí)踐過(guò)程中，我們主要采用舊機(jī)床，先拆裝其主要機(jī)械結(jié)構(gòu)及電氣線路，再人為設(shè)故讓學(xué)生排除和虛擬數(shù)控機(jī)床故障排除兩種方法進(jìn)行教學(xué)，發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題：

(1)人為設(shè)置故障時(shí)總能被學(xué)生直接找到故障點(diǎn)(特別是電氣線路的通斷故障)，學(xué)生取捷徑就可以“高效率”地找到故障，從而違背了從現(xiàn)象中分析判斷并檢查相關(guān)部位查找故障點(diǎn)的思路。

(2)虛擬數(shù)控機(jī)床在裝拆及電氣連接方面實(shí)訓(xùn)效果明顯，減輕對(duì)實(shí)際數(shù)控機(jī)床和實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)備(特別是高檔設(shè)備)壓力；虛擬數(shù)控機(jī)床1人1機(jī)有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，具有安全、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，但其完全是一種模擬狀態(tài)，主要是對(duì)學(xué)生認(rèn)知能力的提高，缺乏實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)，也缺乏故障再現(xiàn)的隨機(jī)性。

功能有限是我專業(yè)現(xiàn)有設(shè)備的主要問(wèn)題，為擴(kuò)充實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，多渠道提高學(xué)生對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)的理解，我們?cè)O(shè)計(jì)出以單片機(jī)作為控制核心，以工控現(xiàn)場(chǎng)普遍使用的觸摸屏為人機(jī)界面的數(shù)控機(jī)床維修教學(xué)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了設(shè)置隨機(jī)一種或多種不同類型的故障，具有故障隱蔽性強(qiáng)，真實(shí)性好等特點(diǎn)；而且相對(duì)于其他控制終端(如PC機(jī))而言，成本低，集成度和抗干擾能力更強(qiáng)。

1 觸摸屏與CNC和單片機(jī)控制系統(tǒng)之間的通信

數(shù)控系統(tǒng)一般通過(guò)RS-232C串行口和外界通信，但由于RS-232C串行口通信有效距離短，且實(shí)訓(xùn)設(shè)備在生產(chǎn)車間，現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣，筆者以FANUC 0i Mate TD系統(tǒng)控制的車床為通信對(duì)象，采取了抗干擾能力較強(qiáng)的遠(yuǎn)程通信方法，即利用CNC系統(tǒng)的RS-232C通信接口和協(xié)議，通過(guò)屏蔽雙絞線把高通信速率的RS-485接口轉(zhuǎn)換遠(yuǎn)程智能通信模塊，同Pro-face st3300系列，型號(hào)AST-3301S觸摸屏的RS-485接口COM2(凸型D-Sub 9針接頭)連接起來(lái)，另一方面，PC通過(guò)USB數(shù)據(jù)傳輸電纜CA3-USBCB-01把觸摸屏編輯軟件GP-Pro EX 2.1編寫的畫面程序下載到觸摸屏里如圖1所示，既解決了一個(gè)觸摸屏和多臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行通信的問(wèn)題，又為數(shù)控機(jī)床裝調(diào)維修工等相關(guān)技能鑒定考試提供硬件支持。

說(shuō)明：①一個(gè)485轉(zhuǎn)232智能模塊可以接多個(gè)機(jī)床，在本文中還通過(guò)該串口通信實(shí)現(xiàn)機(jī)床對(duì)應(yīng)的單片機(jī)控制系統(tǒng)有計(jì)劃地控制對(duì)應(yīng)的線路通斷電路。由于RS-232C規(guī)定的邏輯電平與單片機(jī)的邏輯電平不一致，這里選用專用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實(shí)現(xiàn)單片機(jī)TTL電平(0/5V)和RS232電平(+10/-10V)之間轉(zhuǎn)換。②機(jī)床端485轉(zhuǎn)232智能模塊的D2±端子可以并聯(lián)，而且觸摸屏通過(guò)專用指令可以對(duì)每個(gè)通信端口的參數(shù)設(shè)置編程，確保了柔性設(shè)置的可行性。

圖1 設(shè)備通信原理

2 設(shè)故系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

設(shè)置故障的內(nèi)容主要包括3個(gè)方面：數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)錯(cuò)誤更改或不匹配硬件連接；漏電、缺相以及設(shè)備保護(hù)電路自動(dòng)動(dòng)作等電氣線路故障；在機(jī)械方面，故障設(shè)置主要針對(duì)誤差補(bǔ)償不當(dāng)甚至是錯(cuò)誤造成定位誤差過(guò)大的問(wèn)題。

在編制通信軟件過(guò)程中，首先要解決的是遵守FANUC數(shù)控系統(tǒng)的通信協(xié)議，反譯和處理與FANUC數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)的傳輸數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，否則接收到的數(shù)據(jù)將是亂碼。

2.1 串口通信設(shè)置

點(diǎn)擊系統(tǒng)設(shè)置→控制器/PLC，通訊設(shè)置的內(nèi)容一般有SIO Type=RS422/485(2wire)，Speed，Data Length，Parity，Stop Bit等常規(guī)串口通信設(shè)置。一般首先在GP的擴(kuò)展SIO設(shè)置中選擇和儀表的通訊設(shè)置一樣的參數(shù)。(1個(gè)起始位，8位數(shù)據(jù)，無(wú)校驗(yàn)位，1個(gè)或2個(gè)停止位)，串口通信可以利用GP-Pro EX 2.1編輯軟件的D-Script功能自由地對(duì)串行通訊口編程，發(fā)送、接收字符串、獲取通訊口狀態(tài)。如進(jìn)行通信初始化：

if([S:EXT_SIO_ STAT15]==1) //判斷端口的狀態(tài)，檢查是否有擴(kuò)展SIO協(xié)議

{[w:通訊步驟]=1

[w:超時(shí)設(shè)定]=3 //3秒的超時(shí)(這里的數(shù)據(jù)可以改變)

[w:下一通訊]=1

[c:EXT_SIO_CTRL]= 0x07 //將發(fā)送緩存和接收緩存區(qū)都清零

}

endif

以下是用于檢測(cè)通訊是否超時(shí)，觸發(fā)條件是每隔一秒運(yùn)行一次：

if([w:接收超時(shí)]＞0)

{[w:接收超時(shí)]=[w:接收超時(shí)]-1

}

endif

2.2 數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)故

上位機(jī)直接控制FANUC數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)，可以通過(guò)以太網(wǎng)使用CNC參數(shù)設(shè)定或伺服GUIDE，本文基于觸摸屏和CNC之間串口通信對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行間接設(shè)置，以考查學(xué)生對(duì)部分參數(shù)不正確造成機(jī)床故障的判斷能力，提升對(duì)該參數(shù)作用的理解，如在軟限位系統(tǒng)中，通過(guò)設(shè)置PRM3004#5=0，就會(huì)出現(xiàn)硬超程報(bào)警等。

上述的間接設(shè)置方法是將機(jī)床正常情況下參數(shù)備份的文件做局部修改，再進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，其中關(guān)鍵技術(shù)在于熟悉CNC系統(tǒng)參數(shù)備份的文件結(jié)構(gòu)和外接觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的恢復(fù)操作步驟：

對(duì)機(jī)床正常情況下參數(shù)備份文件的局部替換是利用配方功能實(shí)現(xiàn)，使用預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)創(chuàng)建配方，以備寫入單片機(jī)控制器；參數(shù)恢復(fù)的關(guān)鍵操作同PC—通過(guò)傳輸電纜連接觸摸屏與數(shù)控系統(tǒng)并使機(jī)床處于EDIT狀態(tài)；設(shè)定數(shù)控系統(tǒng)和PC匹配的傳輸參數(shù)；在數(shù)控系統(tǒng)中，按軟鍵[PARAM][OPRT][READ][EXEC]，等待觸摸屏將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳入；通過(guò)觸摸屏把修改后的文件發(fā)送到CNC系統(tǒng)。

2.3 電氣設(shè)故

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)設(shè)故，筆者通過(guò)串口芯片MAX232與單片機(jī)通信，以控制關(guān)鍵線路的通斷。為此，利用Protel DXP制作基于AT89S51線路故障設(shè)置PCB版，其原理如圖2所示。

圖2 電氣設(shè)故原理

正常情況下，單片機(jī)引腳P1.3輸出低電平，三極管Q11截止，繼電器線圈沒(méi)有電位差，繼電器銜鐵釋放，保持常開(kāi)狀態(tài)，起到斷開(kāi)電流的作用，同時(shí)狀態(tài)二極管也點(diǎn)亮；當(dāng)單片機(jī)接收到觸摸屏需要設(shè)置W71線路故障點(diǎn)命令時(shí)，引腳輸出高電平，三極管Q11飽和導(dǎo)通，+5V電源加到線圈兩端，繼電器吸合，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，繼電器起到斷開(kāi)線路的作用，同時(shí)狀態(tài)二極管也熄滅。狀態(tài)二極管起到調(diào)試作用，一般隱藏在考核箱內(nèi)。

3 設(shè)故軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)故軟件采用服務(wù)器/客戶機(jī)模型開(kāi)發(fā)出教師機(jī)軟件和客戶端軟件。教師機(jī)軟件是整個(gè)系統(tǒng)管理和維護(hù)的核心，用來(lái)控制各個(gè)機(jī)床考核內(nèi)容、評(píng)定學(xué)生的成績(jī)和學(xué)生信息管理，教師登錄成功后主要有指定考題、隨機(jī)出題、通信設(shè)置和About4個(gè)按鈕，其中指定考題的畫面如圖3所示。

圖3 指定考題設(shè)故的畫面截圖

在此畫面中，主要由兩個(gè)重要部件構(gòu)成：數(shù)值顯示部件用于選擇檢查的故障號(hào)，本例設(shè)置了7個(gè)故障；右側(cè)是供教師選擇的故障，如果點(diǎn)擊“故障確定”，就把當(dāng)前選擇的故障號(hào)傳到左側(cè)，以備登記、檢查。

在這里，還實(shí)現(xiàn)了“過(guò)3分鐘未操作即自動(dòng)切換主畫面”和“每次進(jìn)入子畫面均需輸入密碼”的安全功能。

在每臺(tái)機(jī)床旁，還安排了學(xué)生PC機(jī)，通過(guò)RS232C和智能模塊相連，主要完成將檢測(cè)到的電氣故障線路號(hào)上傳到教師機(jī)；在實(shí)訓(xùn)聯(lián)系階段還可以提示故障判斷思路以及Flash動(dòng)畫演示整個(gè)排故過(guò)程。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的CJK6125i型車床數(shù)控化改造和基于觸摸屏的自動(dòng)設(shè)故系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了利用一個(gè)觸摸屏遠(yuǎn)程管理多臺(tái)機(jī)床隨機(jī)設(shè)故和自動(dòng)評(píng)分、成績(jī)統(tǒng)計(jì)，方便地通過(guò)形成性考核方式考核學(xué)生掌握技能的真實(shí)水平。實(shí)踐證明，不僅較好地解決了遠(yuǎn)距離通信、資源合理利用、抗干擾能力的問(wèn)題，提高了原有舊機(jī)床的綜合利用率，而且能滿足數(shù)控機(jī)床裝調(diào)、維修教學(xué)和實(shí)訓(xùn)，為我院數(shù)控機(jī)床裝調(diào)維修工技能鑒定基地創(chuàng)造了條件。

[1] 吳金嬌，劉樹(shù)青.虛擬數(shù)控機(jī)床在數(shù)控維修教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2011，1：75

[2] 汪木蘭.數(shù)控原理與系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004

[3] 張瀅，劉寶明，王子豪，等.微機(jī)與數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程通信軟件開(kāi)發(fā)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2005，5：34～35

[4] 普洛菲斯國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司.其他設(shè)備通訊示例[EB/ OL].http://www.proface.com.cn/otasuke/download/sample/PFC_ Demo_simple.html.

The teaching equipment design for touch-screen CNC machine maintenance

Li Qiliang
Nanjing institute of railway technology, Nanjing, 215137, China

In the teaching process of the practice course alignment and maintenance of CNC machine tools, the training subjects such as how to intuitively and eff ciently analyze and f nd the fault of electrical control circuits logically, recover the CNC system parameters that are set by mistake, determine necessity contact of the failure phenomenon and the fault type, revise machine functions via PMC programming, and debug, etc are the common teaching diff culties. In response to these key issues, the paper has designed a teaching equipment for CNC machine maintenance based on automatic set by touch-screen and the strong anti-jamming technology, which have some characteristics such as eff cient set, intellectualized design and low cost. The accomplishment of this project can created favorable conditions for the practice course, and enhance the teachers comprehensive capacity and teaching level, which are the solid foundation for expanding cooperation between colleges and enterprises.

touch screen; failure; CNC lathe; teaching equipment; electrical control system

2011-06-10 稿件編號(hào)：1106041

李奇亮，碩士，助教。

南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年科研基金項(xiàng)目(編號(hào)：Q201114)。