基于串行数据通信的数控机床故障诊断与维修.pdf

信息技术 施吉祥， 等 基于串行数据通信的数控机床故障诊断与维修 基于 串行数据通信 的数控机床故障诊断与维修 施吉祥 ， 陈建松 ， 张远明 东南大学 机械工程学院． 江苏 南京 2 1 0 0 9 6 摘要 阐述了数控系统和计算机串口通信接口的软件和硬件特性， 从数控机床维修的角度系 统地分析了机床数据备份、 还原， 系统参数调试、 P L C通讯、 梯形图诊断等方法 ， 并 以西门子 8 0 2 C ／ S系统为例提出软硬件故障的实际解决方案。最后介绍通信技术在故障诊断维修中的 最新应 用。 关键词 串行数据通信； 可编程序控制器； 分布式数字管理； 数控维修 中图分类号 T G 6 5 9 ； T P 3 0 6 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 - 5 2 7 6 2 0 1 1 0 4 - 0 0 8 9 - 0 3 Di a g n o s i s a n d M a i n t e n a n c e O f CNC S y s t e m Ba s e d o n S e r i a l Da t a Tr a n s mi s s i o n S HI J i - x i a n g ， CHE N J i a n - s o n g， Z HANG Y u a n ． mi n g Co ll e g e o f Me c h a n ic a l E n g i n e e r i n g， S o u t h e a U n iv e r s it y ， Na n j i n g 2 1 0 0 9 6 ，C h i n a Ab s t r a c t t h is p a p e r p r e s e n t s t h e s o f twa re a n d h a r d wa re f e a t u re o f t h e s e d a l d a t a t r a n s mi s s io n b e t we e n CN C s y s t e m a n d t h e c o m pu t er ．Combin ed wit h t h e ma i n t e na n c e o f n u me n c a l c on t r ol ，it a n aly z e s t h e me t ho d s o f d a t a s t or a ge ba c k u p， da t e res t or a t io n， t h e d e - bu g ging o f t he nu meri c al s y s t em． c ommu n i c a t i o n o f t he PL C a n d l a d d er c ha r t d i a g no s t i c s a n d i n t r o du c e s t h e c u r r e n t a p p l i c a t i o n o f s e - r i a l da ta t ran s mis s i o n in t h e d iag n os is a nd main t en a n c e of CNC an d it s t ren d． Ke y wor ds s er i a l da ta t rans mis sio n；pr o grammab le log ic c on t r oll e r ；d i s t r i b u t ed n u me r ic a l c o n t r o l ； main t e n an c e of CNC s y s t e m 0 前言 数控机床在加工领域中已普遍应用 ， 伴随我国由制造 大国向制造强国的转变， 对于数控机床的使用又提出了更 高的要求。由于数控机床工作环境的特殊性， 所以有必要 提高现代数控机床维修技术。机床维修过程涉及系统、 电 器、 机械等因素， 维修 中最为常见的方法是对上述部件进 行离线诊断⋯、 部件置换等。传统的方法操作较繁琐， 现 结合数控机床通信接口技术的发展， 可以对数控机床进行 更快速、 更准确、 更可靠的进行故障定位及维修。本文将 介绍机床通信技术在故障诊断与维修中的应用。 1 数控机床 串行通信连接 数控机床通信接 口在机床中的应用主要有两方面 1 在机床出厂阶段完成对数控系统， P L C ， 变频器， 伺服 驱动器的调试； 2 在用户使用中， 利用通信接 口实现在线 加工、 分布式数字管理 D N C 等功能。现国内主流数控 系统 的通 信接 口仍 为 R S 2 3 2 C串行 通讯 接 口。利用 R S 2 3 2 C可以实现计算机与数控系统， 计算机与 P L C， 以及 与变频器， 伺服驱动等等的通讯 ， 利用通讯功能可以实现 对相应的设备进行诊断和维修 。 R S 2 3 2 C 通信的基本条件为三线制通信架构 ， 至少三 根导线实现数据的双向传输。各 自一条的收、 发数据线在 传输过程中， 通过事先约定的字符来确定各种启停信息。 常用的为 “ X o n ／ X o ff” 协议， 在传输过程中， 增加两种约定 指令 启／ 停 指 令 ， 即 D C 1 ， D C 3码。请 求 发 送 指 令 “ X o n ” D C 1 码 ， 使 用十进 制的 “ 1 7 ”即十六进 制 的 “ 1 1 ” 表示 ， 请求停止指令“ X o ff ” D C 3码 ， 使用十进制 的“ 1 9 ” 即十六进制的“ 1 3 ” 表示， 这样的通信为软握手协 议方式。软握手协议通信实现较为简单 ， 但会产生传输数 据中有与协议信号重码的问题， 故为避免软握手协议的缺 陷， 在 R S 2 3 2 C三线制 的基础上进行改进 ， 再增加一对专 用协议线， 即产生了硬协议。硬握手协议常用的有 R T S ／ C T S流控制和 D T R ／ D S R 数据终端就绪／ 数据设置就绪 流控制 图 1 。各类数控系统在结构组成上大同小异， 但 是编程和通信的差异较大， 相同的参数不能应用于不同的 数控系统， 需要分别测试。 图 1 硬握手协议通信线路 由于数控机床与计算机是基于 R S 2 3 2 C标准连接的， R S 2 3 2 C收发数据 的工作 过程是 在各条控制线 的状态 “ O N ” 为逻辑⋯ 0’ ， “ O F F ” 为逻辑“ I ” 有序地配合下进行 的。为实现 C N C与 P C串行通信， 将 S I E ME N S 8 0 2 C ／ S的 D B - g F E M A L E和计算机 D B - g M A L E用 网络线连接 ， 根据 R S 2 3 2 C接口通信的规程特性 ， 接线方式如图2 。 作者简介 施吉祥 1 9 8 3 一 ， 男， 江苏镇江人， 工程师， 硕士， 研究方向为数控技术和网络化制造。 Mh me B u il d in g Au to m a t i o n ， Au g 2 0 1 1 ， 4 0 4 8 9- 9 1， 1 0 8 8 9 信息技术 施吉祥， 等 基于串行数据通信的数控机床故障诊断与维修 8 0 2 S ／ C b a s el i n e P C Rxd 2 3 T XD Tx d 3 2 RxD TT R 4 6 DS R O V 5 5 O V DS R 6 4 DTR RTS 7 8 CTS CTS 8 7 RTS 一 『 一 r 图 2 通讯 R S 2 3 2 C接 口连 线圈 通信测试确认机床和标准 P C 笔记本 串口问能够 进行 R S 2 3 2 C通信。串行通信参数包括 波特率、 数据位、 奇偶校验、 停止位数、 反馈字符 、 握手方式、 结束代码、 换行 符等 。调试时要求相应参数必须和数控设备 自身的串 口通信参数相同， 否则无法进行数据传输。采用 WI N P C I N软件来实现 D N C传输， 界面设置如图 3 。通信参数 见表 1 。 表 1 西门子系统通信参数 垦 旨嗣 8 删F删n■ 一 。黜 l I i l { } 图3 R S 2 3 2串行数据通信参数设置 数据通信过程中应注意以下问题 1 计算机与数控系统， 计算机与 P L C的通讯使用同 一 组导线， 故传输时须保持一定的时序， 不能冲突。 2 由于现场干扰信号和 R S 2 3 2 C驱动的限制， 通信 系统电缆长度不应超过 1 5 m， 否则使得传输线上产生压 降， 高电平信号标准电位可能会变为低电位 ， 使得接受方 受到的信号产生错误。 3 如果通讯距离较远可以加入智能终端 ， 即串口服 务器， 利用以太网进行 传输。智能终端将数控设备 的 R S 2 3 2 C接口转换为以太网络的 R J 4 5接口， 完成串行数据 和网络 I P包之间的数据转换。 4 使用台式计算机时 ， 必须将计算机的地线与数控 系统的地线牢固地连接在一起， 以免因计算机漏电造成数 控系统地 R S 2 3 2 C接口损坏， 或者使传送信号发生错误。 为了提高系统抗干扰能力， 通讯电缆要采用带屏蔽层的双 绞线电缆， 并且屏蔽层要良好接地 。 2 数控机床数据传输、 备份与恢复 数控机床利用其通讯接口与计算机连接可以实现相 关制造数据和系统参数的传输。数控机床系统参数包括 9 0 - 轴数据、 R参数 、 补偿数据等， 它们决定了数控机床 的功 能、 控制精度等， 在机床调试过程中设定。数控系统出现 显示类故障、 软件类故障、 参数设定类故障以及急停报警 等故障时可利用通信接 口对数据恢复的方式进行诊断和 排查 。 数控系统一般配备了静态存储器 S R A M与高速闪存 F L A S H R O M两种存储器 图 4 ， 静态存储器区存放工作 数据 可修改 及系统参数， 高速闪存区存放固定数据， 通 常作为数据备份区， 以及存放系统程序。通常系统断电 后 ， S R A M区的数据由高能电容 C上的电压进行保持， 对 于长期不通电的机床 ， S R A M区的数据将丢失。 图4 系统数据存放区 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u rn a 1 ． n e t ． c n E m a i l Z Z H D c h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制造与自 动化 信息技术 施吉祥， 等 基于串行数据通信的数控机床故障诊断与维修 数据备份与恢复的方式是在机床出现故障时， 通过冷 启动的方式将数控系统恢复到出厂设置， 然后通过串行通 信接口将机床备份数据 图 5 传输至数控系统静态存储 器 S R A M。其中零件程序 、 标准循环、 数据为文本格式， 而 试车数据、 循环文本为二进制格式。如果冷启动恢复出厂 设置后无法进入系统则表明数控系统硬件出现故障。 图 5 数控 系统通讯界 面 对于变频器 、 伺服驱动器故障， 如带有 R S 2 3 2接口则 可以采取与数控系统相同的方式进行诊断维修。 3 P L C数据传输 P L C在数控机床 中主要完成主轴正反转、 启动和停 止 ， 刀具交换 ， 工件夹紧、 松开， 工作台交换 以及切削液的 开、 关和润滑系统的启动等顺序控制。当上述部件出现故 障后 ， 可以观察顺序控制的主要信息、 状态 ， 包含开关量信 号 ， 例如控制开关、 行程开关、 压力开关盒温度开关等输入 元件输入的信号和继电器、 接触器、 电磁阀等输 出元件的 输出信号 图 6 ， 来进行故障定位， 并采用 P L C程序和参 数重装的方式进行排除。大多数数控系统 F A N U C ， 西门 子等 提供接口， 用户可以编辑、 修改 。 DI AGNOSI S 诊断方式 I NP UT 76 5 4 3 2 l O HEX XO 000 0 0 0 1 0 O 1 0 1 2 X0 0 08 l l 1 O O O O 0 E0 X0 01 0 0 l l l 0 O O 1 7l X0 0 1 8 0 0 1 0 0 0 l 1 2 3 XO O 2 0 0 0 l l 1 l O l 3 D Xo 0 28 0 0 0 0 0 0 0 0 O O X0 0 30 0 l 0 0 1 l 1 1 O O XO 0 38 0 0 0 0 0 0 0 0 4 F 0 0 0 000 OUTP UT 76 5 4 3 2 1 O HEX Y0 0 0 0 0 1 O O 0 l l 0 46 Y0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 0 O 0 Y0 01 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Y0 01 8 0 0 0 0 0 0 0 0 O 0 Y0 O 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 O YO 0 2 8 0 0 0 0 0 0 0 0 O 0 Y0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o YO 0 3 8 0 0 0 0 0 0 0 0 O 0 图6 信号状态检测界面 Ma c h i n e B u i ld i n g Au t o m a t i o n ， Au g 2 0 1 1 ， 4 0 4 8 99 1 ， 1 0 8 主流数控系统 P L C为内装型， P L C与计算机的通讯 也是采用 R S 2 3 2 C接 口， 但与数控加工程序的传输不能并 行实现， 确认波特率、 停止位、 奇偶校验、 数据位一致后在 数控界面中开启“ S T E P 7 ” 连接 图 7 ， 在 P r o g r a mm i n g T o o l P L C 8 0 2软件中可以完成对 P L C程序的装载和备份 图 8 。 图 7 数控系统 P L C通讯设置 | - - _ 一 。 | 。 z 。 “ | 图8 计算机与P L C连接 同时可以使 P L C处于联机状态， 观察其动态梯形图 显示画面 图9 ， 通过梯形图信号的明暗或颜色的变化来 判定数控机床故障的具体位置， 这样就取代了用万用表进 行测量的传统方法 ， 可以作为一种有效诊断故障的方法。 当然这种方法对数控机床厂家编制的报警号的故障特别 有效， 但要求维修者必须理解并掌握数控机床 P L C具体 控制原理。新型数控系统的 P L C还具有 P L C信号追踪功 能和分析及信号的强制功能， 根据此功能可以诊断故障出 现的前后系统输入、 输出信号的变化情况及信号无效是由 系统内部还是由系统外部信号导致。 4远程诊断法 在数控机床内部安装有调制解调器还可以实现远程 诊断， 或称通信诊断。通过电话线路可以给维修中心发送 维修信息， 即利用电话通信线可以读、 写 C N C系统的硬件 构成及系统软件的配置、 C N C系统的 内部状态、 加工程 序、 报警信息等数据 ， 然后由计算机向 C N C系统发送诊断 程序， 并将测试数据输回到计算机进行分析并得出结论 ， 下转第 1 0 8页 91 信息技术 董学伟， 等 - 基于F L U E N T的7 0 2 2铝合金搅拌摩擦焊接过程数值模拟与分析 3 结论 采用 F L U E N T软件建立搅拌摩擦焊接流场有限元分 析模型， 选取适当求解参数后迭代求解得到三维流场结 果， 主要结论如下 1 通过求解结果显示的金属流动速度矢量图， 可以观 察到焊缝区塑性化金属流动情况 塑性金属流在焊缝厚度方 向流动较弱， 且沿着焊缝厚度自上而下呈逐渐减弱的趋势。 2 通过求解得到的金属流线 图， 可以很直观地观察 焊缝区塑性金属流动行态及其流动轨迹 搅拌针周围的塑 性化材料在轴肩的压力和搅拌针螺纹的作用下 ， 随着搅拌 针一起旋转， 并经过数周旋转后停滞于搅拌头后方 ， 填补 搅拌过程中产生的瞬时空腔， 形成焊缝。 参考文献 属流变可视化 [ J ] ． 焊接学报 ， 2 0 0 5 ， 2 6 6 7 3 - 7 6 ． [ 2 ]陈小龙． 大型通用计算流体力学软件 F l u e n t [ J ] ． 高性能计算 发展与应用 ， 2 0 0 7 2 4 6 - 4 9 ． [ 3 ]R ． S ．Mi s h r a a n d Z ． Y． Ma ．F ri c t i o n s t i r w e l d i n g a n d p r o c e s s i n g ． ma t e ria l s c i e n c e a n d e n g i n e e rin g R， 2 0 0 5， 5 01 - 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