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南京理工大学硕士论文 同络化数控机床培训系统的设计与开发 摘要 目前，数控技术高速发展，数控培训需求越来越大，传统的机床培训设备、培训 方法已经不能适应现代数控技术和装备的发展。为满足不断增长的数控培训需求，本 文详细介绍了一种新型的网络化数控机床培训系统的设计和开发。 本文以n n c r 2 c 数控铣床培训平台为基础，论证并建立了网络化数控机床培训 系统的总体结构和设计方案；在对数控机床培训平台组成结构及典型故障分析的基础 上，建立了系统各功能部件的故障模型树，利用故障树分析法分析了各个不同故障的 故障反应和处理方法。为故障设置考核系统的设计提供了依据；利用“串口侦听”技术 分析得到了西门子8 0 2 c 的p p i 通信协议，解决了计算机和西门子数控系统的通信问 题，实现了西门子数控系统报警信息的输出；基于v b 、w i n s o e k 网络通信、a d o 、 a c t i v e x 控件等技术和方法完成了数控机床培训平台故障设置考核系统软件的设计 和开发；结合数控机床硬件平台，构建了一个集教学、培训于一体，使教与学有机结 合，实现教材，教师、设备三位一体的网络化数控培训系统原型。 基于本文研究所开发的网络化数控培训系统可用于数控培训和数控教学，为教师 和学生提供一个良好的学习和实验环境。该系统将对我国数控人才的培训有一定促进 作用。 关键词：数控培训，故障设置，网络通信，串口侦听 南京理工大学项士论文网络化数控机床培训系统的设计与开发 a b s t r a c t a tp r e s e n t , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn ct e c h n o l o g yt h en e e d so fn ct r a h 血g i n c r e a s e sl a r g e l y t r a d i t i o n a lm a c h i n et r a i n i n ge q u i p m e n t , t r a i n i n gm e t h o d sa 1 1 0l o n g e r s u i t a b l ef o rc n ct e c h n o l o g ya n de q u i p m e n td e v e l o p m e n t t om e e tt h eg r o w i n gd e m a n d f o rn c t r a i n i n g ，t h i sp a p e ri n m x l u c e st h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fan e wt y p eo f w e b - b a s e dn cl a t h ea a h - 1 i n gs y s t e m t h i sp a p e ri sb a s e d0 1 1t h ec n c m i l l i n gm a c h i n eo f n n c - r 2 ct r a i n i n gp l a t f o r m f i r s t , ib u i l tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep r o g r a m so fw e b b a s e dn cl a t h et r a i n i n gs y s t e m f r o m t h e n0 1 1t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h es t r u c t u r eo fc n cl a t h et r a i n i n gp l a t f o r m ，m i n u t e l y e x p l a i n 烈lt h en cl a t h e f a u l ts y s t e m ，e s t a b l i s h e dv a r i o u sp a r t so ft h ef a u l tt r e em o d e l a n a l y z c dt h ef a u l ts y s t e ma n ds p e c i f i e dt h ev a r i o u sf a u l t ，f a u l tt y p e ，f a u l tr e s p o n s ea n d t r e a t m e n t t h ea n a l y s i so f n cl a t h ef a u l ts y s t e mp r o v i d e ss c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to ft h ef a u l ts e t t i n ga n da s s e s s m e n ts y s t e m f o rt h es a k eo fs o l v i n gt h e c o m m u n i c a t i o np r o b l e mb e t w e e nn ca n dc o m p u t g r , t h i sp a p e ru s e dt h e “s e r i a l i n t e r c e p t i o n ”t e c h n i q u eo b t a i n e dt h ep p ic o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h es i e m e n s8 0 2 c s y s t e ma n da c h i e v e da l a r mi n f o r m a t i o no u t p m f i n a l l y , i nc o n j u n c t i o n 、析t has e r i e so f t e c h n o l o g ya n dt h em e t h o d so fv bw m s o c kn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a d o d a t a b a s et e c h n o l o g y , a c t i v e xa p p l i c a t i o na n de t c t h ep a p e rf i n i s h e dt h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to ft h ef a u l ts e t t i n ga n da s s e s s m e n ts o f t w a r es y s t e mt ot h ec n c l a t h ea a i l l i a g p l a t f o r m w i t hc n cl a t h eh a r d w a r ep l a t f o r m t h ep a p e rs u c c e s s f u l l yc o n s t r u c t e da w e b - b a s e dn cl a t h et r a i n i n gs y s t e mm c l u d i n gt e a c h i n ga n d 仃a i n i n gf u n c t i o n sa n d c o m b i n i n gt e a c h i n gm a t e r i a l ，i n s t r u c t o r s a n dd e v i c e s t o g e t h e r i na l l i n t e g r a t i o n e n v i r o n m e n t t h ew e b - b a s e dn cl a t h et r a i n i n gs y s t e mt h i sp a p e rs t u d i e dc a nb eu s e dn o to n l yt o n ct r a i n i n ga n dt e a c h i n gb u tp r o v i d eag o o dl e a r n i n ge n v i r o n m e n tf o rt h et e a c h e r sa n d s t u d e n t s i ti sa l s oag o o db o o s tt on c t r a i n i n gd e v e l o p m e n to f o u rc o u n t r y k e y w o r d s ：n ct r a i n i n g , f a u l ts e tu p 。n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s ，i n t e r c e p t i o ns e r i a l 声明 本学位论文是我在导拜的指导下澈襻的研究成果，尽我所知，在本 学键论文中，除了热以标注翻致滚酶罄分外，不包含英魏人已经发表藏 公布过的研究成果，墩不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学俄论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研党生签名：亳l 垒逼 l椰7 年7 月日 | 7 学位论文使用授权声明 南京遵工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文耧，可黻借阅或 上隧公毒本学整论文的全郝或部分蠹容，露| 奠骞有关部f _ 】或扭奉弩送交弗 授权其保存、借阂或上网公布本学位论文的全部或邦分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 磷究生签名：主阻 一。7 年汩乒基 南京理工大学硕士论文 网络化数控机床培训系统的设计与开发 1 绪论 1 1 引言 随着电子技术和自动化技术的发展，数控技术的应用越来越广泛。以微处理器为 基础，以大规模集成电路为标志，具有机、电、气、液集于一身、技术密集和知识密 集等特点的数控机床，有较高的自动化水平和生产效率【1 1 。而且以它为基础的相关产 业是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其技术水平高 低已成为衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。专家们预言：二十一世纪机械制 造业的竞争，其实质是数控技术的竞争f 2 j 。而数控设备的可靠运行，是整个设备能否 发挥作用的关键。数控维修技术不仅是保障正常运行的前提，对数控技术的发展和完 善也起到了巨大的推动作用。 目前， 数控机床的应用越来越广泛，但由于技术越来越先进、复杂，对数控技 术人员的素质要求很高，要求他们具有较深的专业知识和丰富的维修经验，在数控机 床出现故障时才能及时排除。因此传统的机床操作人员根本无法适应数控机床的使用 要求，尽快培养出大量能熟练使用和维护数控机床的技术人员己成为制造行业一个需 要迫切解决的问题。鉴于这个问题，迫切需要构建一个集教育、培训于一体使教与学 有机结合，实现教材、教师、设备三位一体的网络化实验培训平台。提高我们数控培 训的整体水平，培养更多的适应现代数控发展的数控技术人员。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 数控机床技术的发展现状 数控机床发展到今天，完全依赖于数控系统的发展。自1 9 4 6 年在美国诞生了世 界上第一台电子计算机。1 9 5 2 年，计算机技术应用到了机床上，在麻省理工学院( m i t ) 诞生了第一台数控机床从此，数控机床的发展日新月异，到今天已经历经了两个阶 段和六代： 1 9 5 2 - 1 9 7 0 年为数控( n c ) 阶段，这一阶段划分为三代，即第一代电子管( 1 9 5 2 年) ； 第二代晶体管( 1 9 5 9 年) ；第三代小规模集成电路( 1 9 6 5 年) 。 自1 9 7 0 年起，小型计算机用于数控，数控技术进入计算机数控( c n c ) 阶段，这 是第四代数控。 1 9 7 4 年进入第五代数控，其特征为微处理器用于数控。 2 0 世纪9 0 年代开始后基于p c 的数控( p c n c ) 开始得到迅速发展。经过几年的发 展，数控系统从性能到可靠性都得到了根本性的提高口 1 4 1 南京理工大学硕士论文同络化数控机床培训系统的设计与开发 目前，数控技术将朝着智能化、开放化、网络化的方向发展。其主要表现如下： ( 1 ) 数控系统智能化 智能制造的通俗理解就是应用人工智能技术控制制造过程，包括制造过程的建 模、监控、决策等。数控系统是智能制造的重要物质基础。数控系统的智能化是控制 器研究者的理想。计算机软件技术的发展和人工智能技术的发展，使机床控制器具备 了应用人工智能技术的条件。数控系统的智能化主要体现在以下几方面：数控程度编 制的智能化、加工过程的智能化监控、故障诊断的智能化。 ( 2 ) 数控系统的开放化 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题，目前许 多国家对开放式数控系统进行研究，数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。 所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和 最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象( 数控功能) ，形成系列化，并可方便地将 用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放 式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、 通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等 是当前研发的核心 5 1 。 ( 3 ) 数控系统的网络化 网络化数控装备是近两年国际上的一个新亮点。网络化数控装备的数据流主要 有：n c 内部c n c 装置与数字伺服之间的通信，比如通过s e r c o s 链式网络传送 数字伺服控制信息；与上级主计算机的通信，一般通过以太网；与车间现场设 备及f o 装置通信，主要通过现场总线进行通信，如采用p r o f i b u s 等；通过因 特网与服务中心通信，传递维修数据：通过因特网与另一个工厂的系统进行交互、 进行远程登录，传送和交换制造数据1 6 1 数控装备的网络化将极大地满足生产线、制 造系统、制造企业对信息集成的需求。也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、 全球制造的基础单元川嘲。 1 2 2 数控机床培训的发展现状 随着数控技术的高速发展，数控机床的普及率越来越高。现阶段数控机床技术人 员不单单要掌握数控机床的操作编程还需要熟悉各种数控系统的特点、硬软件结构， 熟悉数控机床的机械结构和机电联调。传统的机床操作人员根本无法适应数控机床的 使用要求。数控技术应用方面的人才匮乏己成为制约我国制造业发展的主要因素。然 而数控机床的培训却没有跟上数控技术的高速发展。虽然我国各类职业院校加大了培 养数控人才的力度，但始终不能满足我国数控人才的需求，主要有三方面原因： ( 1 ) 数控培训设备条件差，数量严重不足，且不配套 2 南京理工大学硕士论文网络化数控机床培训系统的设计与开发 近年来，受数控人才需求增长的拉动，各职业院校均建有不同规模的数控培训基 地。各院校为了与企业尽可能保持一致，以达到培训效果，在培训硬件选型方面逐步 趋向全部采用工业用数控机床和加工中心，而且培训基地往往以加工设备配备进口数 控系统为主，由于每台数控设备非常昂贵，学校购置的设备数量有限，每个学生的独 立动手实际操作机会很少，培训效果并不好。这种安排，不能适应普及性的教学实验， 只能给学生作“演示实验”数控技术是实践性很强的综合技术，没有实践体验很难 获得良好的教学效果【9 】【m 】。因此，对于数控培训我们要用专门的数控培训设备。这样 既可以减少经费开支又能够实现对学员数控机床操作和维护能力的培养。这是解决当 前数控技术应用方面人才紧缺的有效途径。 ( 2 ) 课程设置和教学内容不能满足企业需求 我国机电类专业的课程设置近几年虽有所改进，但教学内容仍较陈旧。学生 所学到的知识技能与企业的要求尚存在差距。部分学校因为培训条件所限，仍以理论 讲授为主企业急需的数控机床的编程、操作、维护人员的培训效果较差】。 在实践技能培训方面，很多院校把培训重点放在数控机床简单操作上，而对 数控机床机电设计与联调技术、数控机床的维护、维修等专业技术能力训练不够。 现有数控技术教育专业教材形态单一、内容陈旧、实践性差。适合数控系统 原理、数控机床机电控制技术、数控机床故障诊断与维护维修和数控实训等课程的教 材非常有限，严重脱离生产实际 ( 3 ) 职业学校数控专业师资数量不足，素质不高 数控专业师资，特别是同时具备相应理论知识和丰富实践经验的数控专业师资严 重不足。尤其缺乏熟悉企业生产实际，并能够承担数控教学工作的专业教师，严重制 约着现代数控技术人才培养水平的提高【l2 】。 1 3 课题来源及研究的目的和意义 1 3 1 课题来源 “网络化数控机床培训系统的研究和开发”课题是在南京德西n n c r 2 c ( 数控铣 床) 故障设置考核系统设计项目的基础上发展而来的。南京德西数控新技术有限责任 公司与南京数控培训中心密切合作、集多年数控设备开发和数控教学之经验，顺数控 技术发展之方向，不断创新精益求精，多年致力于数控实训平台的研究和开发。可 提供二十余种数控机床调试维修培训设备，以满足各类学校的教学需要。本项目以南 京德西数控新技术有限责任公司生产的数控机床实训平台系列产品为基础，综合应用 网络通信技术、数控技术、可视化程序设计、人机界面等技术，开发满足数控机床故 障设置考核要求的、操作简便、运行可靠、易维护、高性价比的故障设置考核系统。 南京理工大学硕士论文 网络化数控机床培训系统的设计与开发 项目将为南京德西数控新技术有限公司开发具有自主知识产权的、市场竞争力强的高 水平数控机床实训平台系列产品奠定技术基础。 i 3 2 课题研究的目的和意义 现阶段，数控技术高速发展，数控技术人才缺口越来越大，传统的机床培训设备、 培训方法已经不能适应现在数控技术和装备的发展。南京德西数控新技术有限责任公 司生产的各种数控培训装备专门针对各种数控培训而设计。这种数控培训装备具有两 套电路系统，一套完整的真实数控技术的系统，按照符合真实数控设备的要求进行电 气连接，可以带动机床实训平台的半仿真实物机床进行数控编程、数控加工。另一套 系统提供全开放的端子接口，供学生进行测量、发现故障、排除故障，提供可使用的 教学方案。利用这种数控培训平台可促使学生多动手、多动脑并且也加强了学生对数 控机床电气设计与联调技术、数控机床的维护、维修等专业技术能力训练。这种数控 培训装备价格便宜还可以节省大笔经费开支。另外，我们为南京德西数控新技术有限 责任公司开发了一套专门应用于他们数控培训设备的软件系统。此软件系统分服务器 和客户机两部分，服务器负责向客户机分发各种机床故障信息、接收客户机反馈信息、 成绩打印，系统设置等。客户机负责接收服务器的故障信息、排除故障等。利用此软 件既可以保证学生安全、避免误操作造成培训设备损害又使教师可以方便进行考核， 大大减轻教师的评分、统计等工作量。 目前，我国的现代数控培训刚处于起步阶段，本课题就是要对这种数控培训装备 和培训方法进行思考和研宄。本课题的研究对提高我国的数控培训水平，培养更多高 素质的数控技术人才，加快我国数控技术、数控装备的发展具有重大现实意义。 1 4 本文的主要研究内容及论文结构 i a 1 本文的主要研究内容 本论文在熟悉现有的数控机床培训平台的基础上主要介绍了一种新型的网络化 数控机床培训系统的设计和开发。论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 数控机床培训平台故障系统的研究。主要包括数控机床培堋平台各部分故障 树的建立，利用故障树分析法进行故障分析以及各个故障的故障说明、反应和处理方 法等。 ( 2 ) 计算机与西f 7 - ? 8 0 2 c 系统通信机制的研究。主要包括西门子8 0 2 c 系统通 信协议的获取以及通信协议应用 ( 3 ) v b 中a c t i v e x 技术的应用，主要包括网络通信w m s o c k 和串口通信m s c o m m 以及板卡o c x 的应用 ( 4 ) 基于c s 模式的网络培训与教学的研究主要包括网络化数控机床培训平台 4 南京理工大学硕士论文 网络化数控机床培训系统的设计与开发 故障设置、考核系统的设计和实现。 1 4 2 论文的结构 本文分七章内容组织如下： 第一章绪论。引出本文的研究内容，对课题现阶段的发展状况、研究意义进行 详细介绍。 第二章系统需求分析与总体设计。对现有数控机床培训平台的功能、存在的不 足和需要改进的部分进行了分析，论证并建立了网络化数控机床培训系统的总体结构 和设计方案。 第三章数控机床培训平台故障系统分析。数控机床培训平台是本论文研究的硬 件对象，这一章从介绍数控机床培训平台的结构出发，给出各部分的主要故障，建立 故障模型树，利用故障树分析法分析了各个不同故障的故障反应和处理方法。 第四章计算机与西门子8 0 2 c 系统通信机制的研究。主要研究西门子8 0 2 c 系统 通信协议的获取以及通信协议应用。利用协议编程，改变西门子系统内部p l c 的值， 实现报警输出 第五章网络化数控机床培训系统的设计和开发。主要是故障设置考核系统的硬 件选型设计和软件设计与开发。故障设置考核系统的硬件实现主要包括硬件板卡的选 型和应用以及利用板卡设置故障。故障设置考核系统的软件实现主要包括网络化培训 与教学的实现、v b 中数据库技术应用以及v b 中a c t i v e x 技术的应用等。 第六章系统调试与运行。主要网络化数控机床培训系统的调试与运行情况 第七章总结与展望。总结论文的主要研究成果，给出系统需要进一步完善之处。 南京理工大学硕士论文网络化数控机床培训系统的设计与开发 2 系统需求分析与总体设计 2 1 系统需求分析 随着数控技术的高速发展，数控机床的利用率越来越高，相应的数控机床培训平 台的发展也越来越快。本课题所研究的数控机床培训系统是在南京德西数控新技术有 限公司和南京数控培训中心合作开发的数控机床培训平台的基础上进行的。这种数控 机床培训平台比传统培训设备在功能上有先进之处，但也有一些不足。 2 1 1 数控机床培训平台的功能 ( 1 ) 实验培训内容： 数控系统功能、结构、安装、参数设置、调试 数控机床报警识别、故障诊断及维修 交流伺服电机驱动接线、调试及动态特性 主轴电机变频器的接线、参数设置和调试 入输出接口的定义、设置及调试 数控机床电气柜控制电路的原理及应用 p l c 指令、编程、接线及在数控机床中的应用 ( 2 ) 应用范围： 教师二次开发的平台 教师讲授数控原理、调试维修等课程的示教装置 学生课程设计、毕业设计的研究对象 学生调试、参数设置、故障诊断、维修等实验实习、项目教学的设备 数控编程的基本实验 2 1 2 数控机床培训平台的不足之处 随着计算机及网络技术的发展，计算机和网络技术逐渐渗透到各个领域。网络化 数控机床培训平台正得到大力发展。与新型的网络化数控机床培训平台相比，这种数 控培训装备有以下不足： ( 1 ) 没有专门的培训软件，培训效率不高。南京的德西公司所生产的数控机床培 训平台虽然在硬件方面已经比较完善，但是它的软件系统还非常欠缺。没有专门的培 训软件。所有的培训、考核等都只能在机床端完成，培训效率不高。 ( 2 ) 不能网络化的进行机床培训。这种数控培训平台没有开发它的网络化系统， 每台培训平台只是一个独立的培训实体，不能网络化的进行机床培训。并且对教师的 6 南京理工大学硕士论文网络化数控机床培训系统的设计与开发 考核、评分造成了很大麻烦。 ( 3 ) 安全性不好。数控培训的所有操作都必须在数控机床培训平台上完成。容易 造成人身和机床平台的损害 2 1 3 系统需改进之处 鉴于这种数控机床培训平台的种种不足，我们准备在以下方面进行改进： ( 1 ) 开发用于数控培训的软件系统，方便教师进行培训试题的生成、发放以及成 绩的评定，使数控培训更形象化、简单化。 ( 2 ) 开发网络化的数控培训系统，把各个独立的数控培训平台联系起来，组成网 络系统，由服务器统一调度，提高各培训平台利用率、提高培训效率。 ( 3 ) 在软件中植入保护机制，提高安全性。比如：机床故障的及时消除，故障生 成、排除由软件自动完成等。保护人员人身安全避免培训平台损害。 2 2 总体方案论证与设计 数控机床作为现代化加工设备，需要操作者既具有较扎实的数控技术知识，又具 有较熟练的操作技能。由于客观条件的限制，传统的教育手段和方法都无法培养出满 足社会需求的数控技术应用方面的人才【n 】，迫切需要构建有一个集教学、培训于一体， 使教与学有机结合，实现教材、教师、设备三位一体的网络化数控机床培训系统。建 立网络化数控机床培训系统应满足以下要求： ( 1 ) 准确性。数控机床培训系统要能准确地反映数控机床的结构特点、零部件的 拓扑关系、关键零部件的几何尺寸和相对位置以及机床故障系统；要能准确地反映数 控机床的运动特性，零部件的相对运动关系以及机床电气故障：实现培训系统的有关 操作和维修同真实数控机床相一致。 ( 2 ) 功效性。除了满足数控机床仿真外，数控教学平台还应具有教学辅助、教学 交互、考试等功能，从而实现教学、培训及教学效果评价一体化【。4 】【”1 2 2 1 系统设计的主要技术要求 网络化数控机床培训系统的技术要求如下： ( 1 ) 教师把考核要求由计算机通过网络传输到培训考核单元( 学生用计算机) 上， 并在数控机床( 数控车床、数控铣床) 电气控制电路上产生故障。 ( 2 ) 学生根据故障现象分析判断找出故障原因，指出故障位置，考核系统自动完 成评分 ( 3 ) 评分结束故障自动排除。 ( 4 ) 能够对学生成绩进行下载，打印等操作。 7 南京理工大学硕士论文网络化数控机床培训系统的设计与开发 ( 5 ) 软件中设有权限设定，避免误操作造成人员和机床损害。 ( 6 ) 故障以干扰、短路、断路、交叉、参数( 软故障) 等形式出现在外围电路、驱 动系统、数控系统等部件中。 ( 7 ) 该系统要比国内现有的同类产品在功能、性能等方面更具先进性。 2 2 2 系统的信息流 如下图所示，系统完成一次考核过程系统间主要有以下五次信息流程。 数控机床培训平台 图2 2 1 系统信息流程图 ( 1 ) 客户机请求连接。 ( 2 ) 连接成功，服务器向客户机发送考核试卷。 ( 3 ) 根据试卷软件控制培训平台产生报警。 ( 4 ) 客户机答题，把成绩存入服务器数据库。 ( 5 ) 无论答题是否正确，消除报警 2 2 3 系统硬件的总体方案 本系统要在既有的数控机床培训平台的基础上。分析数控机床培训平台的各部分 故障，选定硬件板卡，控制硬件板卡实现数控机床培训平台的故障设置。系统的硬件 主要有以下几个部分： ( 1 ) 数控机床培训平台 ( 2 ) 服务器、客户机 ( 3 ) 故障设置所用的硬件板卡 ( 4 ) 电缆等 系统硬件设计中存在以下技术问题： ( 1 ) 数控机床培训平台各部分故障分析问题 ( 2 ) 符合要求的硬件板卡的选型问题 ( 3 ) 硬件板卡的控制、应用实现故障设置的问题 其中，数控机床培训平台的介绍，故障系统的分析在第三章数控机床培训平台故 障系统分析中详细说明。硬件板卡的选型和应用在第五章第一节系统硬件选型设计中 i 南京理工大学硕士论文网络化教控机床培训系统的设计与开发 详细说明。 2 2 4 系统软件的总体方案 由于v b 的通用性好、操作简单、可扩充性好软件部分用v b 6 0 开发。这是一个 典型的c s 系统，本系统的软件部分主要分为三个部分，客户端，服务器，数控机床 培训平台，其中软件的安装在客户端和服务器上完成。 ( 1 ) 客户端 客户端的主要功能为与培训平台通信，进行故障的设置和消除。请求与服务器通 信并且接收来自服务器的故障考核试卷，并且完成故障选择等。最后把学生信息传送 到服务器数据库。客户端界面一定要友好这是本系统唯一要与操作人员直接面对面 的部分，所以界面需要简洁，清晰，能够让用户很清楚该系统的所有功能。本系统的 客户端要实现的核心功能为，试题的接收、答题以及成绩的发送。 ( 2 ) 服务器 服务器端功能较多，主要功能都在这上面得到实现。包括对网口的检测对客户端 文件的接收和发送，网络通信错误的判定，数据库管理，还有故障的演示考核试卷 的生成等功能。其中文件传输部分最为重要，因为服务器端在后台运行，所以对界面 没有特别的要求，只要完成指定功能即可【1 6 l 【r 丌。 ( 3 ) 数控机床培训平台 数控机床培训平台是数控培训、故障设置、故障演示的实体部分。数控机床培训 平台接收故障设置信息，在其显示面板上显示出报警号和报警信息。数控机床培训平 台是故障信息的最终接收端。 系统软件设计部分主要有以下技术问题： ( 1 ) v b 、数据库技术的应用问题 ( 2 ) v b 中利用w m s o c k 技术解决网络编程的问题 ( 3 ) v b 中利用m s c o m m 解决串口通信的问题 ( 4 ) v b 中利用协议产生报警的问题 以上的前三个问题在第五章第二节故障设计考核系统的设计和开发中具体介绍。 利用协议编程产生报警在第四章计算机与西门子8 0 2 c 通信机制研究中详细介绍。 9 南京理工大学硕士论文 网络化数控机床培训系统的设计与开发 3 数控机床培训平台的故障系统分析 3 1 数控机床培训平台的组成结构 南京德西数控新技术有限公司和南京数控培训中心密切合作、集多年数控设备开 发和数控教学之经验，顺数控技术发展之方向，不断创新，精益求精，可提供二十余 种数控机床调试维修培训设备，以满足各类学校的教学需要。 南京德西数控新技术有限公司生产的数控机床培训平台为开放式结构、模块化设 计、完全工业用器件，具有数控机床安装、接线、调试、参数设置、通讯、故障诊断、 维修、编程及仿真模拟、c a d ，c j 蜥，实际切削加工等综合的教学培训功能。该培训 平台由电控调试板和数控机床组成，电控调试板主要有三相交流伺服模块、主轴变频 器模块、电源模块以及输入输出模块组成。数控机床采用西门子公司8 0 2 c 数控系统。 一台数控机床的电控系统每一主要环节都在电控演示板上分解展示，使数控培训更加 具体化、形象化。下图是数控车床培训平台c k 0 6 2 8 实物图。 图3 1 i 数控车床培训平台c k 0 6 2 8 实物图 ( 1 ) 配置 西门子8 0 2 c 数控系统 交流伺服驱动及电机 三菱0 4 k _ 主电机变频器 开关电源 调试开发软件包 ( 2 ) 数控机床培训平台接线图 i o 南京理工大学硕士论文 网络化数控机床培训系统的设计与开发 数控机床培训系统可控制2 - 3 个步进电机轴和一个开环主轴( 为变频器) 。另外还 有电源、r s 2 3 2 、i o 口等外接设备。数控机床培训平台的接线简图如下： 图3 1 2 数控机床培训平台接线简图 3 1 1 数控机床西门子8 0 2 c 系统 西f - j ? 8 0 2 c 系统是机床实现自动加工的核心，是整个数控机床的灵魂所在。主 要由输人装置、监视器、主控制系统、可编程控制器、各类输入输出接口等组成。 主控制系统主要由c p u 、存储器、控制器等组成。数控系统的主要控制对象是位置、 角度、速度等机械量，以及温度，压力、流量等物理量其控制方式又可分为数据运 算处理控制和时序逻辑控制两大类。其中主控制器内的擂补模块就是根据所读入的零 件程序，通过译码、编译等处理后，进行相应的刀具轨迹插补运算，并通过与各坐标 伺服系统的位置、速度反馈信号的比较，从而控制机床各坐标轴的位移。而时序逻辑 控制通常由可编程控制器p l c 来完成，它根据机床加工过程中各个动作要求进行协 调，按各检测信号进行逻辑判别，从而控制机床各个部件有条不紊地按顺序工作i l s l 1 1 南京理工大学硕士论文网络化数控机床培训系统的设计与开发 其实物如图所示： 图3 1 3 西门子8 0 2 c 系统后视图 西门子8 0 2 c 的接口如下表所示： 表3 1 1 西门子8 0 2 c 接口一览表 x l 电源接r a ( d c 2 4 v ) x 2 r s 2 3 2 接口 x 3 一x 5测量系统接口用于连接编码罂 c n c 部分 x 6主轴接口 x 7驱动接口 x 1 0手轮接口 x 2 0 数字输入 x 1 0 0 - x 1 0 5连接数字输入 d i ，0 部分 x 2 0 0 ，x 2 们 连接数字输出 3 1 2 数控机床伺服模块 南京德西数控新技术有限公司为其培训台选用的是东元集团的t s d a l 5 b 伺服驱 动系统。伺服系统是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节。主要由伺服电动机、 驱动控制系统和位置检测与反馈装置等组成。伺服电动机是系统的执行元件，驱动控 南京理工大学硕士论文网络化数控机床培训系统的设计与开发 制系统则是伺服电动机的动力源。数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后作 为位移指令，再经过驱动系统的功率放大后，驱动电动机运转，通过机械传动装置带 动工作台或刀架运动n 9 1 。接线简图如下所示： x 轴伺服使舶 稽鬻 坩 x 轴电机动力线 q a 嚣、 ，4 轴：人 磊赢 * 否伺 。 服 一孙 _ ( y 曲 月 y 轴电机动i 储y 、，气轴伺服使傩 丫 w l 猖： ； i 赢簿服 ，一q 翻 y 主轴伺服使能 、z w z 轴电机动力了漩、 l 藉： - - - ki 。 气赢 秘服 一q 硎明 歹 图3 1 4 伺服模块接线简图 伺服模块的主要故障如下： 表3 i 2 伺服模块故障表 故障类型电压 x 轴驱动器给定直流2 4 v x 轴驱动器使能 直流2 4 v y 轴驱动器给定直流2 4 v y 轴驱动器使能直流2 4 v z 轴驱动器给定直流2 4 v z 轴驱动器使能直流2 4 v 限位报警直流2 4 v 编码器故障直流2 4 v 电机动力线交流2 2 0 v 1 3 南京理工大学硕士论文网络化数控机床培训系统的设计与开发 3 1 3 数控机床主轴变频器模块 数控机床变频器部分主要来控制数控机床主轴的正、反转和转速。主轴编码器与 西f 1 - ? 8 0 2 c 系统的x 6 接口相连，主轴的速度等参数反馈入数控系统。数控系统可 控制交频器s t f 正转信号端和s t r 反转信号端完成主轴的正反转以及速度的变化 变频器模块的接线简图如下： 主轴模拟量信号 正反转公共端 k a 2 反转信 _ k 1 正转信 轴变频器电源 5 璺 交 s 讯频 姗器 辫 l e b 铒 v w 警信号 捌 3 e x , j 图3 1 5 主轴变频器模块接线简图 变频器模块的主要故障如下： 表3 1 2 主轴变频器模块故障表 故障类型电压 主轴正转信号 直流2 4 v 主轴反转信号 直流2 4 v 主轴正反转公共端直流2 4 v 主轴模拟信号 直流2 4 v 变频器报警信号 直流2 4 v 变频器电源 交流2 2 0 v 1 4 南京理工大学硕士论文 网络化数控机床培训系统的设计与开发 3 1 4 数控机床其他部分 数控机床的其他部分主要包括：数控机床培训平台的f o 部分，强电控制柜，辅 助装置如：工件夹紧放松机构、回转工作台、手轮装置、系统电源等。其中强电控制 柜主要用来安装机床强电控制的各种电气元器件，除了提供数控、伺服等一类弱电控 制系统的输入电源，以及各种短路、过载、欠压等电气保护外，主要在p l c 的输出 接口与机床各类辅助装置的电气执行元件之间起桥梁连接作用，控制机床辅助装置的 各种交流电动机、液压系统电磁阀或电磁离合器等。数控机床培训平台的f o 部分主 要用于接收外部信号，进行自定义的故障设置。系统总共有4 8 个数字输入( x l o o o x l 0 5 ) 和1 6 个数字输出( x 2 0 0 ，x 2 0 1 ) 。系统的i o 接口图如下： i ；些l 堡竺l 墅差j 茎茎i ! 垒l ! 竺l 堡! l iiii ! 竺l 堕塑i 曼竺l 墅差l i 节节辛早节节 ：卜* l 节节节节。， i ) f r t 打- 盘 j 五占五蠹品品i ，0 工己乞 l00 i 厂、 厂、 图3 1 _ 6 数控机床模块接线简图 数控机床其他部分主要故障 表3 1 3 数控机床其他部分主要故障表 故障类型 电压 机床照明灯 交流2 4 v 启动控制继电器 直流2 4 v 手轮信号 直流5 v x 轴减速开关 直流2 4 v y 轴减速开关直流2 4 v z 轴减速开关 直流2 4 v 急停 直流2 4 v 安全门开关 直流2 4 v 南京理工大学硕士论文网络化数控机床培训系统的设计与开发 3 2 数控机床故障系统分析 3 2 1 故障树分析法 故障树分析f t a ( f a u l t t r e e a n a l y s t s ) 是6 0 年代发展起来的用于大型复杂系统可 靠性、安全性分析和风险评价的一种方法。它是一种将系统故障形成的原因由总体至 部分按树枝状逐级细化的图形演绎方法，它通过对可能造成系统故障的各种因素( 包 括硬件、软件、环境、人为因素等) 进行分析，画出故障树，再对系统中发生的故障 事件由总体至部分按树枝状逐级细化分析，判明故障原因、确定故障发生的概率。评 价引发故障的各种因素的相关重要度。故障树分析法，既可以对系统进行定性分析， 也可以对系统进行定量分析。在故障树分析中，对于所研究系统的各种故障状态或不 正常情况皆称为故障事件，各种完好状态或正常情况皆称为成功事件两者均简称为事 件。故障树分析中所关心的结果事件称为顶事件，它是故障树分析的目标，位于故障 树的顶端。仅导致其他事件发生的原因事件称为底事件，它是可能导致顶事件发生的 基本原因，位于故障树的底端。位于顶事件和底事件之间的中间结果事件称为中间事 件。用各种事件的代表符号和描述事件问逻辑因果关系的逻辑门符号组成的倒立树状 逻辑因果关系图，称为故障树2 0 1 1 2 1 】。 3 2 3 f f a 分析的目的 进行f t a 分析主要有以下四个方面的目的，介绍如下： ( 1 ) 清晰地表达数控机床培训平台故障事件的内在联系和逻辑关系； ( 2 ) 从故障树的顶端向下分析，找出系统故障与哪些部件、零件的状态有关， 全面弄清引起系统故障的原因和部位。 ( 3 ) 由故障树的下端向上分析，查清零件、部件故障对系统故障的影响和传播途 径。 ( 4 ) 全面考虑环境条件、人为失误、软件和硬件等因素，找出整机故障潜在的薄 弱环节，以便提出可靠性改进措施【1 1 2 4 1 。 3 - 3 3 各部分故障树建立 数控机床是一个集机电液于一体的复杂系统，根据各自的功能，可以划分为c n c 系统、伺服系统、主轴系统、i o 系统、外围电路、电机、电源、其他。对系统功能 进行层次分解，通过表示数控系统中各个子模块之间关系的方法，将系统的功能用它 的下级子系统的功能来表示，而其子模块的功能又用它本身的各功能模块的功能表 示。系统功能的这种层次分解，也就是系统故障分析过程中的模拟，功能分解的结果 就是一棵故障树 2 5 j 2 6 。数控机床培训平台各主要部分的故障树模型如下： 1 6 南京理工大学硕士论文 网络化数控机床培训系统的设计与开发 ( 1 ) 伺服系统故障树的建立 图3 2 1 伺服系统故障树模型图 ( 2 ) 变频器模块的故障树建立 图3 2 2 变频器模块故障树模型图 南京理工大学硕士论文 网络化数控机床培训系统的设计与开发 ( 3 ) 外围电路部分故障树建立 辨围电路故障 安全门报警l f 急停报警ll 电巍故辟i 手轮故障ll 机床照明灯故障 l | 3 2 4 故障树分析结论 器件 故障 电蔼动 力线 夭f 接口、，接口 辔自f ) x , o j x 1 0 器件。 。 图3 2 3 外围电路部分故障树模型图 经过对数控机床培训平台故障系统的整体了解，建立了数控培训平台各主要部分 的故障树模型。由故障树分析法可得出以下结论： ( 1 ) 从本文所建立的整机故障树可以清楚地看出数控机床培训平台的故障事件 的内在联系和逻辑关系。由于本文的故障树是按故障部位建立的，各故障事件均呈逻 辑“或”的关系，也就是说每个底事件均一定能导致顶事件的发生【2 7 1 。 ( 2 ) 从故障树下端向上分析，可以弄清每一个底事件对整机故障的影响和传播途 径此处所建立的数控机床培训平台故障树反映给设计和生产部门【2 3 l ，为产品的可靠 性改进提高提供了有效信息。 ( 3 ) 各部分故障树的建立确定了各个故障所属的门类为数控机床故障考核系统 的建立提供了科学依据 2 9 1 。 3 3 故障说明、故障反应及故障的处理方法 对于上面伺服部分、变频器部分以及i o 模块及其他部分我们要设置的故障可主 要分为两种：系统定义故障和用户自定义故障。以下是对这两种故障的介绍。 3 3 1 系统定义故障说明 这种故障在包含在数控机床培训平台的报警系统中，一旦对应的机床电气部分出 1 8 l 濠l 翁 国国引到 南京理工大学硕士论文 网络化数控机床培训系统的设计与开发 现故障则西门子8 0 2 c 系统面板立刻就会显示报警号和报警信息。我们进行设置的 故障中属于此类故障的如下所示： 表3 3 1 系统定义故障表 故障信息报警号报警文本 x 轴驱动器给定 2 1 6 1 2 坐标轴x 的v d i 信号“驱动给定”被复位 x 轴驱动器使能 2 1 6 1 2 坐标轴x 的v d i 信号“驱动使能”被复位 y 轴驱动器给定 2 1 6 1 2 坐标轴y 的v d i 信号“驱动给定”被复位 y 轴驱动器使能2 1 6 1 2 坐标轴y 的v d i 信号“驱动使能”被复位 z 轴驱动器给定 2 1 6 1 2 坐标轴z 的v d i 信号“驱动给定”被复位 z 轴驱动器使能 2 1 6 1 2 坐标轴z 的v d i 信号“驱动使能”被复位 x 轴编码器信号 2 5 0 0 0 坐标轴x 有效