一種數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置的開發(fā)及應(yīng)用*

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)控裝置開發(fā)、測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)動器及主軸電機(jī)、伺服驅(qū)動器及伺服電機(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)控裝置測試故障自診斷功能提供一種方便的測試工具，測試時該裝置與數(shù)控裝置通過現(xiàn)場總線進(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)動器和伺服電機(jī)故障、主軸驅(qū)動器和主軸電機(jī)故障等，測試數(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

為了讓測試人員模擬故障時方便快捷，并且能夠為數(shù)控裝置提供實時性的反饋信號，故障模擬裝置由上位機(jī)、下位機(jī)、測試站卡三部分組成。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)，可以為測試人員開發(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)行打上實時補(bǔ)丁的Linux-RTAI實時操作系統(tǒng)，滿足反饋信號的實時性要求。上下位機(jī)都自帶通用以太網(wǎng)卡，通過以太網(wǎng)連接，二者通信采用TCP/IP協(xié)議。測試站(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)，測試站與工業(yè)PC通過PCI局部總線連接［2］?？偩€式數(shù)控裝置通過現(xiàn)場總線與故障模擬裝置對連，構(gòu)成一個環(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)即可對數(shù)控裝置的故障自診斷等功能進(jìn)行測試。

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)與實際機(jī)床相同的邏輯響應(yīng)，仿真實際機(jī)床的理想運(yùn)行狀態(tài)。華中數(shù)控開發(fā)的基于Linux-RTAI實時操作系統(tǒng)的軟件PLC具有良好的實時性，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)床邏輯模型與實際機(jī)床的邏輯狀態(tài)一致，梯形圖參照實際機(jī)床的電氣原理圖編寫。以hnc-21數(shù)控銑床為參考對象，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，每一個故障點對應(yīng)相應(yīng)的故障信息。這些故障信息以故障庫的形式為用戶提供設(shè)置選項。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檔到位信號等故障。故障庫的建立，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。對于主軸系統(tǒng)，啟動主軸之前，為了保護(hù)操作人員安全，數(shù)控裝置會監(jiān)測主軸緊刀信號，如果未檢測到信號，數(shù)控裝置會產(chǎn)生報警提示，同時無法啟動主軸;主軸啟動后，為了實時監(jiān)測主軸運(yùn)行狀態(tài)，數(shù)控裝置周期性監(jiān)測主軸速度到位信號，換擋檔位信號等。模擬數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)時，模型需要輸出主軸緊刀，主軸速度到位等信號，同時在模型中嵌入故障點，激活時產(chǎn)生相應(yīng)故障信號。

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，是數(shù)控系統(tǒng)PLC的X02.0輸入信號，正常態(tài)Y02.0輸出高電平，設(shè)置主軸未緊刀時，x13.5輸入為高電平時，Y02.0輸出低電平，數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)測到主軸未緊刀信號停止加工，產(chǎn)生報警提示。主軸啟動后主軸速度到信號為高電平，通過延時處理模擬主軸速度到達(dá)的過程，y3.0為主軸速度到信號，是數(shù)控系統(tǒng)PLC的X03.0的輸入信號，x12.5為主軸速度未到達(dá)故障，輸入為高電平時，y3.0在主軸啟動后輸出低電平。y3.1為主軸過熱信號，是數(shù)控系統(tǒng)X03.1輸入信號，x13.1為主軸過熱故障，主軸啟動后，x13.1輸入為高電平時，y3.1輸出高電平，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生報警。x2.5，x2.6，x2.7的輸入信號為數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置式PLC的Y02.5，Y02.6，Y02.7輸出信號，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。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?？蓤?zhí)行文件由基于Linux-RTAI實時操作系統(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，為機(jī)床邏輯模型提供故障點激活的條件［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)通信的實現(xiàn)

為了使測試人員在上位機(jī)設(shè)置的故障數(shù)據(jù)及時激活運(yùn)行中的機(jī)床邏輯模型的故障點，上下位機(jī)之間必須建立一個可靠的通信連接。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開始:上位機(jī)上電啟動故障模擬軟件，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:檢測到配置機(jī)床模型、初始化、運(yùn)行機(jī)床模型等消息時進(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)送失敗時進(jìn)入此狀態(tài)，在規(guī)定時間內(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開始:起始狀態(tài)，下位機(jī)上電成功，并且完成初始化過程，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)，檢測到上位機(jī)初始化命令后進(jìn)行總線驅(qū)動初始化。⑥常態(tài)運(yùn)行:初始化成功后可進(jìn)入此狀態(tài)，檢測到上位機(jī)運(yùn)行機(jī)床模型命令后，啟動邏輯模型運(yùn)算狀態(tài)，若沒有監(jiān)測到故障設(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到故障設(shè)置后，喚醒邏輯模型中的相應(yīng)故障點，故障態(tài)下運(yùn)行邏輯模型［7］。

圖7 下位機(jī)狀態(tài)圖

4 實驗驗證

為了驗證故障模擬裝置的在實際應(yīng)用中的效果，以HNC-08總線式數(shù)控系統(tǒng)為研究對象。HNC-08系統(tǒng)報警分兩類:一類是系統(tǒng)內(nèi)部報警，另一類是用戶擴(kuò)展報警。系統(tǒng)內(nèi)部報警由CNC系統(tǒng)內(nèi)部定義，不能更改。用戶擴(kuò)展報警由用戶定義，擴(kuò)展報警時設(shè)置報警信息布爾值。這類報警由機(jī)床廠家根據(jù)實際需求制訂，在數(shù)控系統(tǒng)的PLC程序中加入報警信息對應(yīng)的IO點，通過掃描IO點監(jiān)測機(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)類的故障來測試數(shù)控系統(tǒng)對該該類故障的響應(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:

一種是限位開關(guān)出現(xiàn)故障，各軸可能沒有真正的超程，只是某一限位開關(guān)出現(xiàn)故障，觸點非正常壓合，我們可以人為設(shè)置某一軸的限位開關(guān)閉合，設(shè)置“X正限位開關(guān)不良”，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生“X正超程”，“機(jī)床急停”報警;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-100mm，故障模擬裝置會給數(shù)控系統(tǒng)反饋Y軸負(fù)向超程開關(guān)信號，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生“Y軸負(fù)超程”，“機(jī)床急?！眻缶?。機(jī)床急停的模擬，就是模擬急停開關(guān)被按下，給數(shù)控系統(tǒng)一個機(jī)床開關(guān)壓合的信號即可達(dá)到模擬目的。設(shè)置“機(jī)床急?！?，數(shù)控系統(tǒng)會產(chǎn)生“緊急停止”報警。如圖9所示，是HNC-08數(shù)控裝置檢測到超程故障時的產(chǎn)生的報警提示，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)置的報警提示圖

5 結(jié)束語

本文在對比傳統(tǒng)的測試數(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。并搭建了實驗平臺進(jìn)行故障模擬實驗。實驗結(jié)果表明，該裝置可以實時模擬數(shù)控機(jī)床的故障信號，為數(shù)控裝置的開發(fā)提供了一個成本低廉，操作方便的測試工具。

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