機(jī)床電氣故障診斷實(shí)訓(xùn)臺(tái)的信息化改造

徐 亮 周 蕓

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 江蘇無(wú)錫214153）

《維修電工》對(duì)于中高職院校機(jī)電類專業(yè)而言是一門十分重要的課程[1]，該課程不僅被列為專業(yè)核心課程，而且要求學(xué)生在校期間必須通過(guò)由勞動(dòng)部組織的“維修電工（中級(jí)）”考證。該課程有一半的學(xué)時(shí)是關(guān)于繼電-接觸器控制電路的機(jī)床電氣故障診斷與維修方面的內(nèi)容，這部分內(nèi)容同樣也是《維修電工（中級(jí)）》考證的重點(diǎn)，這要求學(xué)生不僅要擁有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，而且也要具備熟練的操作技能。

為了給學(xué)生提供一個(gè)穩(wěn)定、可靠的學(xué)習(xí)和操作平臺(tái)，各院校的專家學(xué)者們提出了許多解決方案。文獻(xiàn)[2]提出了一種利用撥碼開(kāi)關(guān)控制繼電器設(shè)置斷點(diǎn)的機(jī)床電氣維護(hù)實(shí)訓(xùn)裝置；文獻(xiàn)[3]提出了基于觸摸屏與PLC控制的機(jī)床電氣維護(hù)實(shí)訓(xùn)裝置，該裝置能由教師機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)設(shè)置斷點(diǎn)；文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]分別提出了利用單片機(jī)控制繼電器設(shè)置斷點(diǎn)的機(jī)床電氣維護(hù)實(shí)訓(xùn)裝置。

本文介紹了在原開(kāi)關(guān)控制故障點(diǎn)通斷型機(jī)床電氣故障診斷實(shí)訓(xùn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)管理控制，通過(guò)單片機(jī)控制卡，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的信息化改造的方案。

1 總體規(guī)劃

實(shí)訓(xùn)室共有16臺(tái)機(jī)床電氣故障診斷實(shí)訓(xùn)臺(tái)，分別是4臺(tái)C650型車床實(shí)訓(xùn)臺(tái)、4臺(tái)M7130型磨床實(shí)訓(xùn)臺(tái)、4臺(tái)T68型鏜床實(shí)訓(xùn)臺(tái)和4臺(tái)XQ6225型銑床實(shí)訓(xùn)臺(tái)。由于機(jī)床主電路故障多為缺相，很容易診斷，因此預(yù)設(shè)故障點(diǎn)均設(shè)置在控制電路之中。由于車床、磨床、銑床等機(jī)床電路故障點(diǎn)設(shè)置大同小異，因此不妨以 C650臥式車床電路故障點(diǎn)分布為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖 1所示，電路中編號(hào)(1)～(23)均為預(yù)設(shè)故障點(diǎn)。

圖1 C650型車床電路故障點(diǎn)分布圖

改造方案系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，實(shí)訓(xùn)臺(tái)故障點(diǎn)開(kāi)關(guān)全部換成 24VDC繼電器，每個(gè)實(shí)訓(xùn)臺(tái)配備一臺(tái)學(xué)生計(jì)算機(jī)，學(xué)生計(jì)算機(jī)通過(guò)控制卡控制實(shí)訓(xùn)臺(tái)機(jī)床電路故障點(diǎn)的通斷，而所有的學(xué)生計(jì)算機(jī)均由教師計(jì)算機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)統(tǒng)一管理。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

每個(gè)實(shí)訓(xùn)臺(tái)具有至多32個(gè)預(yù)設(shè)故障點(diǎn)，但通常只有2～5個(gè)故障點(diǎn)動(dòng)作，而動(dòng)作故障點(diǎn)由教師計(jì)算機(jī)選定并發(fā)送給學(xué)生計(jì)算機(jī)通過(guò)控制卡執(zhí)行，需要學(xué)生檢測(cè)并逐一找出所有動(dòng)作的故障點(diǎn)并將其復(fù)位，當(dāng)所有動(dòng)作故障點(diǎn)被復(fù)位后，學(xué)生計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)將結(jié)果反饋給教師計(jì)算機(jī)。

2 控制卡電路設(shè)計(jì)

每一臺(tái)學(xué)生計(jì)算機(jī)均配備一塊控制卡，控制卡通過(guò)USB線連接學(xué)生計(jì)算機(jī)，通過(guò)光耦連接各故障點(diǎn)繼電器線圈，電路如圖3所示。

圖3 控制卡電路圖

從圖3可見(jiàn)，主控器采用STC15W4K16S4單片機(jī)，該款單片機(jī)為國(guó)產(chǎn)增強(qiáng)型 8051單片機(jī)——STC單片機(jī)中的一款，STC單片機(jī)全系列均支持串口下載程序，開(kāi)發(fā)成本低廉，并且該款單片機(jī)最多具備62個(gè)I/O引腳（LQFP64封裝），比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)多出將近1倍的I/O引腳[6-7]；采用CH340G連接學(xué)生計(jì)算機(jī)USB口與單片機(jī)UART引腳；選擇 I/O引腳中的 32個(gè)作為輸出端通過(guò)光耦連接24VDC繼電器；控制卡電源取自24V/2A開(kāi)關(guān)電源，經(jīng)7805穩(wěn)壓后供給STC單片機(jī)與CH340G。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算機(jī)程序

計(jì)算機(jī)程序分為教師機(jī)程序和學(xué)生機(jī)程序兩種，均由基于微軟.Net技術(shù)的 C#程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)而成，教師機(jī)程序和學(xué)生機(jī)程序以 UDP協(xié)議通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行Socket通信，教師機(jī)程序作為UDP Server與多個(gè)學(xué)生機(jī)程序作為UDP Clients構(gòu)成一對(duì)多的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8-9]。

1）教師機(jī)程序

教師機(jī)程序的主要功能是編制題庫(kù)、選題分發(fā)、記錄時(shí)間，主要界面如圖4所示。

圖4 教師機(jī)程序主要界面

題庫(kù)條目可新增、編輯、刪除，圖 4(a)是“編制題庫(kù)”中的“新增題庫(kù)條目”界面。條目自動(dòng)編號(hào)，教師首先選擇設(shè)備類型編號(hào)，然后通過(guò)打鉤的方式自主選擇2～5個(gè)故障點(diǎn)并進(jìn)行保存。題庫(kù)數(shù)據(jù)按“編號(hào)（整型）-故障點(diǎn)數(shù)據(jù) 4（字節(jié)型）-……-故障點(diǎn)數(shù)據(jù)1（字節(jié)型）”格式保存在桌面型數(shù)據(jù)庫(kù)Access 2010文檔之中。

圖4(b)是“考核”界面。教師首先由下拉列表為每臺(tái)學(xué)生機(jī)隨機(jī)/手動(dòng)選定考題，然后點(diǎn)擊“發(fā)送”按鈕開(kāi)始分發(fā)考題，當(dāng)收到學(xué)生機(jī)反饋的接收指令后，教師機(jī)程序隨即開(kāi)始計(jì)時(shí)，直到學(xué)生機(jī)正確完成該題并遞交結(jié)果后計(jì)時(shí)結(jié)束。教師機(jī)程序與學(xué)生機(jī)程序之間的通信數(shù)據(jù)格式如表1～表3所示。

表1 教師機(jī)分發(fā)題目數(shù)據(jù)格式

表2 接收端響應(yīng)數(shù)據(jù)格式

教師機(jī)分發(fā)題目數(shù)據(jù)格式如表1，教師機(jī)將每個(gè)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的32位故障點(diǎn)數(shù)據(jù)分割為4個(gè)字節(jié)，加上1個(gè)字節(jié)的允許失誤次數(shù)，再加上1個(gè)字節(jié)的CRC-8校驗(yàn)碼，共計(jì)6個(gè)字節(jié)作為一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送給指定IP的學(xué)生機(jī)。學(xué)生機(jī)在收到數(shù)據(jù)包并通過(guò)校驗(yàn)后，返回表2所示響應(yīng)數(shù)據(jù)包，其中4FH、4BH為英文單詞OK兩個(gè)字母的ASCII碼，而6EH則為4FH、4BH的CRC-8校驗(yàn)碼。

表3 學(xué)生機(jī)完成后遞交結(jié)果數(shù)據(jù)格式

圖5是C650型臥式車床故障診斷界面。學(xué)生利用萬(wàn)用表在實(shí)訓(xùn)臺(tái)診斷并確定故障點(diǎn)之后，在界面電路中單擊標(biāo)注該點(diǎn)即可排除故障，可容許診斷失誤次數(shù)由教師機(jī)指定。當(dāng)所有故障都被排除后，學(xué)生機(jī)程序自動(dòng)將結(jié)果發(fā)送到教師機(jī)程序。

圖5 故障診斷界面

當(dāng)學(xué)生完成任務(wù)后，學(xué)生機(jī)自動(dòng)將1個(gè)字節(jié)的實(shí)際失誤次數(shù)與1個(gè)字節(jié)的CRC-8校驗(yàn)碼作為一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送給教師機(jī)。教師機(jī)在收到數(shù)據(jù)包并通過(guò)校驗(yàn)后，返回表2所示響應(yīng)數(shù)據(jù)包。

2）學(xué)生機(jī)程序

學(xué)生機(jī)程序的主要功能是接收來(lái)自教師機(jī)的選題信息、修改控制卡輸出狀態(tài)，界面如圖5所示。

3.2 控制卡程序

控制卡單片機(jī)接收來(lái)自學(xué)生機(jī)程序的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包格式如表4所示，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度5個(gè)字節(jié)，故障數(shù)據(jù)1～4共4個(gè)字節(jié)32位記錄了32個(gè)故障點(diǎn)的工作狀態(tài)，校驗(yàn)碼為CRC-8校驗(yàn)?？刂瓶ㄕ_接收數(shù)據(jù)后，隨即返回確認(rèn)數(shù)據(jù)包。

表4 控制卡單片機(jī)接收數(shù)據(jù)格式

控制卡程序接收表4所示數(shù)據(jù)包，其中前4個(gè)字節(jié)為32位故障點(diǎn)數(shù)據(jù)，最后1個(gè)字節(jié)為4個(gè)故障碼的CRC-8校驗(yàn)碼?？刂瓶ǔ绦蚪邮胀暝摂?shù)據(jù)包并通過(guò)校驗(yàn)后，返回表2所示響應(yīng)數(shù)據(jù)包。

控制卡單片機(jī)解析接收到的數(shù)據(jù)包，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)繼電器吸合/復(fù)位，程序流程如圖6所示。

圖6 控制卡單片機(jī)程序主流程

4 使用情況

目前該方案已投入使用，每個(gè)班級(jí)在該實(shí)訓(xùn)室學(xué)習(xí)時(shí)間為一周，學(xué)生按班級(jí)總?cè)藬?shù)分組，約 2～4人一組，每組每天學(xué)習(xí)一種設(shè)備，第五天上午練習(xí)，下午分批單個(gè)抽簽操作考試。每場(chǎng)考試限定30分鐘，過(guò)程如下：

（1）教師選題分發(fā)，宣布考試開(kāi)始。

（2）學(xué)生通過(guò)觀察電路故障現(xiàn)象、萬(wàn)用表檢測(cè)等手段診斷故障點(diǎn)位置并在程序畫面中標(biāo)注排除。

（3）排除所有故障，完成考核；操作失誤或者未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)者等待補(bǔ)考環(huán)節(jié)。

對(duì)于實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師而言，原來(lái)必須對(duì)每臺(tái)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的開(kāi)關(guān)進(jìn)行人工設(shè)定，考核也必須逐個(gè)檢查打分，整個(gè)過(guò)程效率十分低下；改造之后，選題分發(fā)、考核計(jì)時(shí)幾乎全部自動(dòng)完成，教學(xué)效率大大提高。對(duì)于學(xué)生而言，原來(lái)診斷故障點(diǎn)之后，必須用導(dǎo)線短接故障點(diǎn)之后才能排除故障；改造之后，只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)將診斷的故障點(diǎn)在程序畫面上標(biāo)注，程序便自動(dòng)排除故障，操作更加簡(jiǎn)便。

5 結(jié)語(yǔ)

本文充分利用.Net技術(shù)提供的大量實(shí)用控件快速構(gòu)建了教師機(jī)與學(xué)生機(jī)程序，利用以STC單片機(jī)為核心控制器的控制卡實(shí)現(xiàn)學(xué)生計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)訓(xùn)臺(tái)故障點(diǎn)通斷的控制功能。方案總體實(shí)現(xiàn)了選題分發(fā)與考核計(jì)時(shí)的自動(dòng)化，減少了實(shí)訓(xùn)過(guò)程中不必要浪費(fèi)的時(shí)間，同時(shí)學(xué)生機(jī)程序 “掃雷”游戲般的操作體驗(yàn)，使得學(xué)生學(xué)習(xí)熱情明顯提高，從而教學(xué)效率也大大提高，而且該方案由于機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此易于維護(hù)，具有一定的推廣價(jià)值。