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数控机床故障诊断模拟教学实验台设计与开发 　　摘要：随着数控机床在自动化加工领域的占有率越来越高，培养实践动手能力很强的数控维修高技能人才显得尤为重要。而由于数控机床价格昂贵，无法在教学中普遍使用各种典型的数控机床，提出了结合现有数控实验设备设计并开发数控机床故障诊断模拟实验台，用于机械设计制造及其自动化相关专业的实践教学。实践证明该数控机床故障诊断模拟实验设备平台有助于培养数控技术人才。 　　关键词：数控机床；模拟试验台；实践教学 　　作者简介：胡延平（1961-），女，吉林长春人，北京信息科技大学机电实习中心，高级实验师；宋晓娜（1978-），女，吉林长春人，北京信息科技大学机电实习中心，实验师。（北京 100192） 　　基金项目：本文系北京信息科技大学2012年度教学改革项目“将模拟量控制引入PLC实习教学的研究”（项目编号：2012JGYB66）的研究成果??? 　　中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）02-0180-02 　　目前随着航空航天、模具制造、汽车等技术的不断发展，使数控机床成为制造业中必不可少的加工设备。数控机床由于具有高效率、高质量、高速度、高可靠性等特点，在自动化加工领域的占有率越来越高。[1]而数控机床在长期运转加工中不可避免会出现各种故障，因此对数控机床维修调试的高技能人才需求也越来越多。传统的数控机床维修高技能人才的培养是由师徒模式进行的，显然无法满足当前市场需求。高校要培养出实践动手能力很强的数控维修高技能人才，需要集教学、实验于一体的数控机床故障诊断模拟实验设备。而由于数控机床价格昂贵，无法在教学中普遍使用，需结合现有数控实验设备，设计并开发数控机床故障诊断模拟实验台，对学生进行专业性、实践性都很强的数控教学。 　　一、实验台总体设计 　　本文采用西门子SINUMERIK 802D数控系统，开发研制了数控调试维修实验台。它侧重于机床各部件的电气连接、各种信号测量、性能监控、调试维修、故障设置及排除、PLC程序设计、NC调试等实验。对于数控机床的电气、诊断、调试等方面的实训教学，需要实验台具有开放式的特点，便于学生学习和理解。因此在教学实验台的设计思路中考虑设计一个开放的电气柜，便于学习和掌握CNC数控系统的硬件连接、电气设计、梯形设计、参数设置、故障诊断等多方面数控知识。本数控实验台的设计采用了开放式、模块化的设计思想，尽可能多将数控机床的电器元件、组成等在实验台上展示出来，使学生对数控机床的电器元件、数控机床组成等有一个整体的认识，便于更好地完成数控高级人才培养的任务。 　　二、实验台硬件配置 　　1.数控系统选型 　　常见的数控系统有FANUC、SIEMENS、施耐德、华中等类型。其中西门子公司的SINUMERIK 802D数控系统集成NCK、PLC、HMI于一体，具有功能强大、技术先进、性能完善、保护性好、开放性好、通用性好等特点，通过PRO-FIBUS连接各部SIMODRIVE 611U数字驱动系统，可控制4个进给轴、1个数字或模拟主轴，是一款高性能、低价位的数控系统。由于本文设计的实验台要实现铣床功能，即1个主轴和3个进给轴，故选择SINUMERIK 802D作为数控调试维修实验台的数控系统。 　　2.电机选型 　　伺服电机作为数控机床驱动坐标运动的执行部件，不仅具有恒定输出转矩特性，而且还具有非常强的过载能力。伺服电机选型的主要依据是机床的设计性能指标，如进给轴的最高速度、加速度、主轴功率和调速范围以及机床实际应用条件，如切削的材料、加工工艺参数、使用的刀具等条件。由于本文设计的数控维修实验台不进行实际的加工切削，且电机的工作制是短时工作制，即短时定额。因此，选配的电机型号分别为：主轴，1PH7107-2NF02-0CA0；X轴，1FK7060-5AF71-1AG0；Y轴，1FK7060-5AF71-1AG0；Z轴，1FK7063-5AF71-1AH0。 　　3.模块设计与组成 　　根据教学需要，为便于学生全面理解数控知识，在实验台的设计中，将实验台按功能分割成六个开放式的功能模块，分别为伺服驱动模块、电器部分、模拟刀库模块、I/O模块、数控装置和实验板。 　　（1）伺服驱动模块。与数控系统802D匹配的伺服驱动装置是Simodrive611U E系列伺服驱动器，包括电源模块和功率模块。其中功率模块采用双轴模块，电源模块设为三相400V±10%，使驱动系统可在360V到440V范围内正常工作。进给轴选用1FK7系列伺服电机，主轴选用1PH7系列主轴电机。[2]在伺服驱动模块上预留了可供测量使能信号及编码器信号的插孔，方便学生在实验中测量各信号的状态并进一步理解伺服驱动工作过程。 　　（2）电器