專利名稱：一種數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)控裝置測試設(shè)備，具體涉及一種數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置。
背景技術(shù)：
在數(shù)控裝置的測試和培訓(xùn)等環(huán)節(jié)中，數(shù)控裝置需要與機(jī)床及控制電柜一起使用， 這種方式不僅成本高，而且很不方便。本故障模擬裝置主要解決高檔數(shù)控裝置的故障檢測 功能和能力，可以模擬數(shù)控機(jī)床故障、可編程控制器故障、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。利用該裝置模擬數(shù)控機(jī)床的故障可以用來檢測數(shù)控裝置對數(shù)控 機(jī)床故障的響應(yīng)、保護(hù)、自動修復(fù)等能力。目前一些數(shù)控裝置的制造廠商按照自身產(chǎn)品的特點(diǎn)，開發(fā)的故障模擬裝置具有很 強(qiáng)的專用性。由于不同廠家生產(chǎn)的不同型號數(shù)控機(jī)床的配置都不相同，其需要模擬的故障 也不一樣，因此這些專用的故障模擬裝置并不能方便的模擬各種機(jī)床的各種故障。不具有 通用性和故障模擬的全面性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置，該裝置采用現(xiàn)場總線與數(shù)控裝置相 連，內(nèi)部采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，下位機(jī)為采用Linux實(shí)時操作系統(tǒng)的工控機(jī)，主要負(fù)責(zé)運(yùn)行 數(shù)控機(jī)床的PLC邏輯模型，并通過現(xiàn)場總線與數(shù)控裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；上位機(jī)則采用運(yùn)行 WINDOWS操作系統(tǒng)的PC機(jī)，通過通用以太網(wǎng)與下位機(jī)相連，主要解決數(shù)控機(jī)床參數(shù)設(shè)置、 故障設(shè)置、故障報(bào)警等人機(jī)交互工作。該故障模擬裝置主要由數(shù)控機(jī)床設(shè)置模塊、故障設(shè)置模塊、邏輯運(yùn)算模塊、伺服運(yùn) 算模塊，機(jī)床運(yùn)行顯示模塊、通信模塊組成。機(jī)床設(shè)置模塊，用于用戶設(shè)置不同的機(jī)床類型(如車床、銑床、加工中心等)，選擇 相應(yīng)的軸數(shù)和結(jié)構(gòu)，根據(jù)機(jī)床類型導(dǎo)入相應(yīng)的故障庫；顯示相應(yīng)的機(jī)床IO狀態(tài)，配置相應(yīng) 的機(jī)床PLC邏輯模型和伺服驅(qū)動系統(tǒng)模型；最后將所有的設(shè)置保存為一臺特定的機(jī)床模 型。機(jī)床設(shè)置在PC機(jī)上的人機(jī)界面進(jìn)行，機(jī)床模型通過網(wǎng)絡(luò)傳送給下位機(jī)。故障設(shè)置模塊，用于用戶設(shè)置需要模擬的故障，如電氣回路中輸入缺相、電壓過低 等。所有的可選擇設(shè)置故障在用戶設(shè)置機(jī)床類型后，自動載入故障庫文件，用戶在選定設(shè)置 的故障后，設(shè)定故障以故障數(shù)據(jù)保存，并通過網(wǎng)絡(luò)傳送給下位機(jī)。邏輯運(yùn)算模塊，根據(jù)機(jī)床設(shè)置模塊所設(shè)置的不同機(jī)床模型，邏輯運(yùn)算模塊接受數(shù) 控裝置發(fā)送的I/O信息，并將這些信息作為輸入，依據(jù)數(shù)控機(jī)床的PLC邏輯關(guān)系，運(yùn)算出反 饋回?cái)?shù)控裝置的I/O信息，模擬機(jī)床控制電路運(yùn)行后的狀態(tài)。伺服運(yùn)算模塊，考慮理想狀態(tài)的機(jī)床伺服驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)，調(diào)用建模仿真工具的 模塊庫對伺服系統(tǒng)的三環(huán)(位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán))PID控制和機(jī)床傳動機(jī)構(gòu)建立傳遞函數(shù) 仿真模型。通過所建的理想模型來實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機(jī)床傳動機(jī)構(gòu)的動態(tài)仿真，并通過 總線將伺服模塊三環(huán)的數(shù)據(jù)反饋回?cái)?shù)控裝置。
機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)顯示模塊，用于模擬顯示機(jī)床運(yùn)行的狀態(tài)，如位置信息，刀具信息， 控制柜I/O點(diǎn)信息，故障信息。其中位置信息以位置數(shù)據(jù)顯示，刀具信息顯示刀具號和輔助 功能，控制電路I/O點(diǎn)信息以動態(tài)按鈕顯示，故障信息可顯示故障畫面和文字信息。通信模塊，通信模塊包括下位機(jī)與數(shù)控裝置之間的總線連接及數(shù)據(jù)通信，下位機(jī) 與上位機(jī)之間的TCP/IP服務(wù)器端，上位機(jī)的TCP/IP客戶端。故障模擬裝置與實(shí)際機(jī)床相同的是，該系統(tǒng)具有能接收數(shù)控裝置指令、并反饋數(shù) 控裝置所需數(shù)據(jù)的物理接口，這個數(shù)據(jù)交換接口可以是數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線的一個節(jié)點(diǎn)，也 可以是整個數(shù)控系統(tǒng)控制回路中開放的信號采集接口。與實(shí)際機(jī)床不同的是，該系統(tǒng)是一 個實(shí)際機(jī)床的數(shù)據(jù)和邏輯的仿真模型，根據(jù)機(jī)床類型通過設(shè)置故障表和設(shè)置機(jī)床類型和I/ 0點(diǎn)，來模擬機(jī)床的各種故障。


圖1為本發(fā)明的功能模塊關(guān)系圖； 圖2為本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)關(guān)系圖3為本發(fā)明的軟件結(jié)構(gòu)關(guān)系圖； 圖4為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
圖； 圖5為本發(fā)明的故障模擬軟件運(yùn)行界面； 圖6為本發(fā)明的機(jī)床建模軟件運(yùn)行界面。
具體實(shí)施例方式圖1所示為本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置的內(nèi)部各功能模塊之間結(jié) 構(gòu)關(guān)系示意圖。包括機(jī)床設(shè)置模塊、故障設(shè)置模塊、邏輯運(yùn)算模塊、伺服運(yùn)算模塊，機(jī)床運(yùn)行 顯示模塊、通信模塊。各模塊間的任務(wù)劃分如下
機(jī)床設(shè)置模塊，用于用戶設(shè)置不同的機(jī)床類型(如車床、銑床、加工中心等)，選擇相應(yīng) 的軸數(shù)和結(jié)構(gòu)，根據(jù)機(jī)床類型導(dǎo)入相應(yīng)的故障庫；顯示相應(yīng)的機(jī)床IO狀態(tài)，配置相應(yīng)的機(jī) 床PLC邏輯模型和伺服驅(qū)動系統(tǒng)模型；最后將所有的設(shè)置保存為一臺特定的機(jī)床模型。機(jī) 床設(shè)置在PC機(jī)上的人機(jī)界面進(jìn)行。在用戶設(shè)置中選擇相應(yīng)的機(jī)床設(shè)置，在故障設(shè)置欄中設(shè)置項(xiàng)進(jìn)行相應(yīng)的更改，如 一般機(jī)床都具有電氣回路、主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)等，對于加工中心則還 有刀庫和換刀裝置等。在用戶設(shè)置中選擇相應(yīng)的機(jī)床設(shè)置，在機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)顯示面板將變換顯示不同的 系統(tǒng)和I/O點(diǎn)的狀態(tài)。一旦機(jī)床設(shè)定完成，最后將形成一臺特定機(jī)床的模型，包括機(jī)床的類型、結(jié)構(gòu)、邏 輯模型、可設(shè)置故障、顯示狀態(tài)。機(jī)床模型通過網(wǎng)絡(luò)傳送給下位機(jī)。
故障設(shè)置模塊，用于用戶設(shè)置需要模擬的故障，如電氣回路中輸入缺相、電壓過低等。 所有的可選擇設(shè)置故障在用戶設(shè)置機(jī)床類型后，自動載入故障庫文件，故障庫包括可設(shè)置 故障、故障現(xiàn)象和故障可能原因。用戶在選定設(shè)置的故障后，設(shè)定故障以故障數(shù)據(jù)保存，并 通過網(wǎng)絡(luò)傳送給下位機(jī)。
故障設(shè)置后，在機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)顯示面板將根據(jù)下位機(jī)運(yùn)算的I/O狀態(tài)觸發(fā)狀態(tài)面 板的刷新，并可顯示故障的模擬圖片。圖2所示為本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置的硬件結(jié)構(gòu)關(guān)系圖。故障模 擬裝置由上位機(jī)和下位機(jī)組成。上位機(jī)采用PC機(jī)和通用以太網(wǎng)，運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)。 下位機(jī)采用帶通用以太網(wǎng)的工控機(jī)，通過并行總線與現(xiàn)場總線從站卡相連，運(yùn)行Linux操 作系統(tǒng)。下位機(jī)通過現(xiàn)場總線主站卡與數(shù)控裝置對接，通過以太網(wǎng)與上位機(jī)互聯(lián)。圖3所示為本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置的軟件結(jié)構(gòu)關(guān)系圖。上位機(jī) 以運(yùn)行人機(jī)界面的顯示、配置、模型載入和測試結(jié)果輸出等工作。因此上位機(jī)運(yùn)行2個進(jìn)程 模塊，F(xiàn)aultSim、Plead。FaultSim故障模擬模塊用于數(shù)控裝置在故障功能方面的測試，該模塊負(fù)責(zé)機(jī)床邏 輯模型載入、故障項(xiàng)目的設(shè)置和測試結(jié)果的顯示，如圖4所示。Plcad模塊主要用來對機(jī)床 的邏輯模型進(jìn)行建模，建模可采用梯形圖和C語言，如圖5所示。下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算、實(shí)時反饋和與上位機(jī)通信。下位機(jī)主要運(yùn)行邏輯模 擬進(jìn)程RunPLC和通信模塊進(jìn)程。邏輯模擬進(jìn)程RunPLC，在其上運(yùn)行Plcad生成的邏輯模型 *.plg，不同的機(jī)床對應(yīng)不同的邏輯模型，可根據(jù)測試的機(jī)床電氣原理圖創(chuàng)建對應(yīng)機(jī)床邏輯 模型。邏輯模擬進(jìn)程根據(jù)總線輸入的I/O數(shù)據(jù)，通過機(jī)床PLC邏輯模型運(yùn)算I/O的反饋數(shù) 據(jù)。其一部分反饋通過總線發(fā)送回?cái)?shù)控裝置，另一部分發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行顯示。通信模塊進(jìn)程包括兩部分，一部分為從現(xiàn)場總線從站卡緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)和填入反 饋數(shù)據(jù)，這部分實(shí)時性較高；另一部分為通過Socket (TCP/IP協(xié)議)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)和 接受配置和控制指令，這部分實(shí)時性要求較低，主要用于顯示、仿真、與操作者交互。最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參 照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明 的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置，該模擬裝置采用現(xiàn)場總線與數(shù)控裝置相連，內(nèi)部采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，下位機(jī)為采用Linux實(shí)時操作系統(tǒng)的工控機(jī)，主要負(fù)責(zé)跟數(shù)控裝置進(jìn)行總線數(shù)據(jù)交換和運(yùn)行邏輯模型；上位機(jī)為采用WINDOWS 操作系統(tǒng)的PC機(jī)，通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與下位機(jī)相連，主要解決機(jī)床參數(shù)設(shè)置、故障設(shè)置、故障報(bào)警等人機(jī)交互的工作；該設(shè)備主要由機(jī)床設(shè)置模塊、故障設(shè)置模塊、邏輯運(yùn)算模塊、伺服運(yùn)算模塊，機(jī)床運(yùn)行顯示模塊、通信模塊組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置，其特征包括該設(shè)備通過數(shù)控系統(tǒng) 現(xiàn)場總線從站卡來接收數(shù)控裝置發(fā)送的指令和數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)控機(jī)床故障模擬裝 置分析處理后，一方面給數(shù)控裝置反饋數(shù)據(jù)，一方面發(fā)往上位機(jī)中進(jìn)行人機(jī)交互；模擬軟件 根據(jù)機(jī)床設(shè)置模塊和故障設(shè)置模塊確定的模型計(jì)算出反饋數(shù)據(jù)，該裝置內(nèi)部的邏輯運(yùn)算模 塊用來模擬IO響應(yīng)、伺服運(yùn)算模塊用來模擬伺服驅(qū)動和機(jī)床的加工特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置，其特征在于所述的機(jī)床設(shè)置模塊， 根據(jù)所選擇的模擬機(jī)床類型，對該模擬機(jī)床的各個參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置；通過對不同模塊 參數(shù)的設(shè)置，使得權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置能夠模擬不同機(jī)床，比如數(shù)控 車床、數(shù)控銑床、加工中心等，能滿足對不同廠商生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床的模擬，增強(qiáng)了該模擬裝 置的通用性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置，其特征在于所述的故障設(shè)置模塊， 根據(jù)所選擇的模擬機(jī)床類型，對該模擬機(jī)床的各種故障進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，通過在故障設(shè)置 模塊中選擇不同的故障設(shè)置，使得權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置能夠模擬機(jī)床 的各種故障，比如電源回路缺相、編碼器接觸不良、伺服強(qiáng)電斷開等，能滿足用戶模擬各種 不同故障的需求，增強(qiáng)了該模擬裝置的通用性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置，其特征在于所述的邏輯運(yùn)算模塊， 邏輯運(yùn)算模塊能夠根據(jù)不同的邏輯模型來運(yùn)算獲得IO反饋結(jié)果，邏輯模型可采用梯形圖 或C語言來實(shí)現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置，其特征在于所述的伺服運(yùn)算模塊， 考慮理想狀態(tài)的機(jī)床伺服驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)，調(diào)用建模仿真工具的模塊庫對伺服系統(tǒng)的三環(huán) (位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán))PID控制和機(jī)床傳動機(jī)構(gòu)建立傳遞函數(shù)仿真模型；通過所建的理 想模型來實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機(jī)床傳動機(jī)構(gòu)的動態(tài)仿真，并通過總線反饋三環(huán)的數(shù)據(jù)回?cái)?shù)控裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置，其特征在于所述的機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)顯 示模塊，用于模擬顯示機(jī)床運(yùn)行的狀態(tài)，如位置信息，刀具信息，控制柜IO點(diǎn)信息，故障信 息；其中位置信息以位置數(shù)據(jù)顯示，刀具信息顯示刀號和輔助功能，控制柜IO點(diǎn)信息以動 態(tài)按鈕顯示，故障信息可顯示故障畫面和文字信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置，其特征在于所述的通信模塊，通信 模塊包括下位機(jī)跟數(shù)控裝置間的總線從站模塊，下位機(jī)跟上位機(jī)之間的TCP/IP服務(wù)器端， 上位機(jī)的TCP/IP客戶端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)控機(jī)床故障模擬裝置，該裝置采用現(xiàn)場總線與數(shù)控裝置相連，內(nèi)部采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)。下位機(jī)為采用Linux實(shí)時操作系統(tǒng)的工控機(jī)，主要負(fù)責(zé)運(yùn)行數(shù)控機(jī)床的PLC邏輯模型，并通過現(xiàn)場總線與數(shù)控裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；上位機(jī)則采用運(yùn)行WINDOWS操作系統(tǒng)的PC機(jī)，通過通用以太網(wǎng)與下位機(jī)相連，主要解決數(shù)控機(jī)床參數(shù)設(shè)置、故障設(shè)置、故障報(bào)警等人機(jī)交互工作。本裝置主要解決高檔數(shù)控裝置的故障檢測功能和能力的試驗(yàn)條件，可以模擬數(shù)控機(jī)床故障、可編程控制器故障、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。利用該裝置模擬數(shù)控機(jī)床的故障可以用來檢測數(shù)控裝置對數(shù)控機(jī)床故障的響應(yīng)、保護(hù)、自動修復(fù)等能力。
文檔編號G05B17/00GK101984376SQ20101055016
公開日2011年3月9日 申請日期2010年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月19日
發(fā)明者任清榮, 周會成, 唐小琦, 奚長浩, 孫東山, 宋寶, 湯明, 陳吉紅 申請人:華中科技大學(xué);武漢華中數(shù)控股份有限公司