基于PLC的數控車床故障診斷與維修實訓裝置

吳　南

(遼寧機電職業技術學院 材料工程系，遼寧　丹東　118009)

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基于PLC的數控車床故障診斷與維修實訓裝置

吳南

(遼寧機電職業技術學院 材料工程系，遼寧丹東118009)

摘要：為了滿足數控機床故障診斷與維護專業的實踐教學需求，節約成本，有效利用現有資源，提高專業教師的實踐能力，以PLC和觸摸屏為核心，設計了一種能夠滿足數控機床維修專業教學做合一教學模式需求的實訓設備，能夠同時完成機械裝調、電氣裝調、PLC程序調試、機電聯調等功能，有效的服務于“教學做合一”理論的教學模式，從而提升了課堂的教學效果，提高了學生的實踐能力。

關鍵詞：數控機床；PLC；電氣控制；故障診斷

為滿足數控機床故障診斷與維護專業“教學做一體化”教學模式的教學要求，優化資源配置，以可編程控制器(PLC)為核心，對陳舊設備進行技術改造和升級，設計出一種能夠為數控機床故障診斷與維護專業服務的“教學做一體化”教學設備，以最小的投入實現舊設備最大的應用價值，具有切實的意義。目前數控機床故障診斷與維護專業的教學設備種類繁多，其功能相近，能夠滿足教學過程中部分實踐任務，但仍然無法滿足“教學做一體化”的教學要求，且功能單一，價格較高。依據在數控機床故障診斷與維護專業“教學做一體化”教學過程中的實際需求，設計一種基于PLC的教學做一體化實訓設備，能夠滿足該專業數控機床電氣控制技術、數控機床PLC技術應用、數控機床裝配與調試、數控機床故障診斷與維護專業課程的教學任務，同時教師可以通過觸摸屏對數控機床進行故障設置，學生運用所學知識排除故障，從而提高其解決實際問題的能力[1]。

1系統組成

1.1系統功能設計

教學做一體化實訓設備主要是對CAK6136B數控車床進行技術改造和技術創新，拆除該機床的數控系統及電氣控制柜，對電氣控制柜進行重新設計、布局，以滿足電氣裝調、PLC控制系統設計、故障設置等功能。保留的機床本體用作機械部分、液壓部分裝調的實踐教學任務。設備的完成能夠為數控機床故障診斷與維護專業的“教學做一體化”課程提供良好的教學服務。設備的組成如圖1所示。圖1中的觸摸屏可以數控機床進行故障設置和故障診斷；數控機床部分可以對學生的機械裝調、電氣裝調和數控維修的中和能力進行訓練；數控維修實驗臺部分可以對設備控制技術和PLC技術課程進行實踐訓練[2]。

1.2數控機床故障診斷實驗臺的設計

數控機床故障診斷實驗臺是設備的主要操作區，采用開放式結構，與機床本體相結合，在保留數控車床原有的功能基礎上，還可以進行電氣控制線路接線、PLC硬件電路及軟件程序設計，數控機床故障設置與診斷等功能。其總體外形如圖2所示。

圖2中1區為數控機床電氣元件安裝接線區，與數控機床電氣柜一致，采用開放式設計，通過透明有機玻璃門直接觀察到電氣柜中各元器件的狀態；2區為數控系統安裝區；3區為觸摸屏安裝區，實現對數控機床電氣故障的設置；4區為PLC控制器及相關電氣元件安裝區，通過插拔式連接線進行電氣PLC硬件接線及PLC軟件程序的調試；5區為實訓工具存放區。系統的各個分區和機床本體有機的結合，靈活應用，能夠滿足數控維修專業核心課程的實踐教學任務。

2主要電氣控制單元設計

為保證加工質量以及設備的先進性，重新設計了數控機床的電氣控制系統，并采用SINUMERIK 808D數控系統，該系統是一款面向全球市場、針對銑床和車床的數控產品。對車床而言，系統可以控制三個軸，其中包括一個主軸和兩個進給軸，主軸是通過一個模擬量主軸接口連接，進給軸通過兩個脈沖驅動接口與SINAMICS V60伺服驅動系統連接[3-6]。

2.1主傳動電氣控制系統

設備的主傳動是把電機的轉速和轉矩傳遞給主軸，工件可以在不同的速度下運動，其性能的好壞直接影響工件加工的質量和效率。設備的主軸由MINI-L-4T00015M變頻器控制，額定輸出電流3.7 A，輸入電壓三相380 V，頻率范圍0 HZ～400 HZ，其電氣接線圖如圖3所示。

2.2進給傳動控制

數控系統發送指令，驅動刀具精確定位和按規定的軌跡做相對運動，是通過對進給軸精確控制，方可加工出符合要求的零件。本設計的進給軸X軸和Z軸由兩套西門子SINAMICS V60伺服驅動系統控制，SINAMICS V60適合于經濟簡單的應用場合，包含CPM60.1單軸驅動模塊和1FL5交流伺服電機以及配套電纜。驅動模塊只能與功率相匹配的伺服電機配套使用。由于驅動、電機組合在出廠前已經預調到最佳配置，所以可大大節省驅動系統的現場調試時間。進給驅動系統的電氣接線如圖4所示。

3多功能控制系統設計

3.1多功能控制器的設計

設備在具備數控機床原有的功能基礎上，還具有電氣控制線路安裝接線、PLC硬軟件程序設計、故障設置等功能。設備集多功能于一體，通過PLC控制器和觸摸屏操作可以靈活的在各個功能之間進行轉換，便于不同實踐任務的實施[7-8]。不同功能之間的轉換主要由PLC梯形圖程序控制，其控制流程如圖5所示。

3.2故障監控界面的設計

故障設置界面采用臺達B07S411觸摸屏，應用DOPSoft 1.01.08軟件，利用其豐富的圖形庫和靈活的動畫功能，設計出逼真的動畫界面，實時顯示設備運行狀態以及豐富的控制過程。主要包含故障設置、故障顯示、電氣實驗、時間設置四個功能。故障設置按鈕，可以對數控機床的主軸、刀架、電源等線路進行故障設置,此時可進行數控機床故障診斷與維護和數控機床裝配與調試課程的實踐；故障顯示按鈕，可以實時顯示當前故障狀態。按下電氣實驗按鈕，系統進入電氣接線調試和PLC控制系統設計環節，此時可以進行數控機床電氣控制技術和數控機床PLC技術課程的實踐。

4功能設置

4.1故障診斷功能設置

故障診斷功能是實驗臺的主要功能，系統上電后，按下觸摸屏上的故障設置按鈕，進入故障設置界面，按下主軸正轉、刀架鎖緊按鈕，然后，打開SINUMERIK 808D數控系統，在手動模式下，主軸正轉和刀架鎖緊功能無法實現，即故障設置成功，按下觸摸屏上的故障顯示按鈕，顯示實時故障狀態為主軸正轉故障、刀架鎖緊故障。此時，觸摸屏故障設置界面和故障顯示界面如圖6所示。

故障設置完成后，學生對故障現象進行分析，應用檢測工具對相關故障點進行檢測、排查，最終排除故障。排除故障后觸摸屏故障設置和故障顯示界面如圖7所示。

4.2其它功能設置

按下觸摸屏上的電氣實驗按鈕，此時故障設置功能失效，可以進行電氣控制及PLC控制程序設計實驗，通過香蕉式插頭連接線進行硬件電路的接線，結合PLC控制程序，實現對機床主軸、刀架等架構的運行控制，有效的提高了學生的實際應用能力。

5結束語

“教學做一體化”實驗臺的開發將PLC、觸摸屏與數控機床有機結合，完善了設備的功能，可以設置多個故障現象，同一故障現象又表現出不同的故障點，便于學生系統靈活的分析故障現象，找到故障點，快速的排除故障，提升自身分析判斷能力，增強實踐技能。為“教學做一體化”教學模式的有效實施提供了良好及實踐平臺。

參考文獻：

[1]汪彬，張龍. 一種新型的數控維修實訓設備的研制與開發[J].制造技術與機床，2010(12):71-74.

[2]趙美林.CA6140車床的數控改造[J].機床與液壓,2006(4):208-211.

[3]西門子(中國)有限公司.SINUMERIK 808D_PLC 子程序庫手冊[G].

[4]西門子(中國)有限公司.SINAMICS V60 CPM60.1 操作說明[G].

[5]西門子(中國)有限公司. SINUMERIK 808D_電氣安裝手冊[G].

[6]西門子(中國)有限公司. SINUMERIK 808D_功能手冊[G].

[7]數控機床裝調維修工國家職業標準[S].北京：中國勞動社會保障出版社,2007.

[8]鄧三鵬. 數控機床故障診斷與維修[M]. 北京：機械工業出版社,2013.

NC Machine Tool Fault Diagnosis and Maintenance of Training Equipment Based on PLC

WU Nan

(Department of Materials Engineering, Liaoning Mechatronics College, Dandong 118009,Liaoning, China)

Abstract:In order to meet the demand of NC machine tool fault diagnosis and maintenance professional practice teaching, cost savings, effective use of existing resources and improve the professional teachers’ practical ability, with PLC and touch screen as the core, we designed a kind of training equipment for NC machine tool fault diagnosis and maintenance professional to meet the demand of “Integrative Teaching, Learning and Practice” teaching mode, which can complete the mechanical assembly and debugging, electrical assembly and debugging, PLC program debugging, electrical and mechanical alignment, etc. In the service of “Integrative Teaching, Learning and Practice” theory of teaching mode, it improved the effect of classroom teaching and the students’ practical ability.

Key words:CNC; PLC; electrical control; fault diagnosis

收稿日期：2015-12-06

作者簡介：吳南(1982-)，男，遼寧新民人，遼寧機電職業技術學院材料工程系講師，博士生，主要從事農業機械化工程研究。

中圖分類號：TG519.1

文獻標識碼：B

文章編號：1008-9446(2016)03-0033-05