专利名称：一种数控机床故障模拟方法
技术领域：
本发明属于数控装置测试方法，具体涉及一种数控机床故障模拟方法。
背景技术：
在数控装置的测试和培训等环节中，数控装置需要与机床及控制电柜一起使用， 这种方式不仅成本高，而且很不方便。为了设计方便便宜的故障模拟装置，解决高档数控装 置的故障检测功能和能力，需要有一种方便可行的数控机床故障模拟方法来模拟数控机床 故障、可编程控制器故障、伺服驱动器和伺服电机故障、主轴驱动器和主轴电机故障。利用 此种方法模拟出的数控机床故障要求能用来检测数控装置对数控机床故障的响应、保护、 自动修复等能力。目前在网络和文献检索中尚没有发现有类似的方便可行的故障模拟方法。
发明内容
本发明提供了一种数控机床故障模拟方法，主要通过构建机床设置信息表、构建 故障设置信息表、构建机床逻辑模型、构建机床伺服模型、嵌入机床故障点、运行机床仿真 模型、触发机床故障产生来实现数控机床故障的模拟。该数控机床故障模拟方法主要解决了高档数控装置的故障检测功能和能力的试 验条件，可以模拟数控机床故障、可编程控制器故障、伺服驱动器和伺服电机故障、主轴驱 动器和主轴电机故障。利用该方法模拟的数控机床的故障可以用来检测数控装置对数控机 床故障的响应、保护、自动修复等能力。该数控机床故障模拟方法主要包含以下几个步骤
1构建机床设置信息表。通过构建机床设置信息表，使得本数控机床故障模拟方法能够 模拟不同类型机床，比如数控车床、数控铣床、加工中心等，能满足对不同厂商生产的数控 机床的模拟，增强了该方法实现的模拟装置的通用性。2、构建故障设置信息表。通过构建故障信息表，在模拟故障时选择不同的故障模 拟设置，使得本数控机床故障模拟方法能够模拟机床的各种故障，比如电源回路缺相、编码 器接触不良、伺服强电断开等，通过修改故障信息表，可以满足模拟各种不同故障的需求， 增强了该模拟装置的通用性。3、构建机床逻辑模型。通过依照模拟的实际机床构建机床逻辑模型，使得本数控 机床故障模拟方法能够实现与实际机床相同的逻辑响应，达到真实模拟实际机床逻辑响应 的目的。逻辑模型可采用梯形图或C语言来实现。4、构建机床伺服模型。通过调用建模仿真工具的模块库对伺服系统的三环(位置 环、速度环、电流环)PID控制和机床传动机构建立传递函数仿真模型。通过所建的理想模 型来实现伺服驱动系统和机床传动机构的动态仿真，并反馈三环的数据回数控装置。5、嵌入机床故障点。通过在构建的机床逻辑模型中嵌入机床故障点，使得本数控 机床故障模拟方法能够实现与实际机床相同的故障响应。通过控制故障点的休眠和唤醒，可以实现模拟机床的正常运行响应和故障运行响应。6、触发机床故障产生。在构建的机床逻辑模型中嵌入的机床故障点正常运行中是 休眠的，不会导致故障产生，因此本数控机床故障模拟方法首先可以模拟数控机床的正常 运行，当进行故障设置或一些故障条件满足时，本数控机床故障模拟方法能使触发机床故 障产生故障点唤醒信号，使得够实现与实际机床相同的故障响应。
图1为本发明的数控机床故障模拟方法步骤图； 图2为构建机床设置信息表；
图3为构建故障设置信息表； 图4为构建机床逻辑模型； 图5实际机床电气原理图； 图6构建机床逻辑模型梯形图； 图7为构建机床伺服模型； 图8. 1、8. 2为嵌入机床故障点； 图9为运行机床仿真模型； 图10触发机床故障产生。
具体实施例方式图1所示为数控机床故障模拟方法原理图。主要包括构建机床设置信息表、构建 故障设置信息表、构建机床逻辑模型、构建机床伺服模型、嵌入机床故障点、运行机床仿真 模型、触发机床故障产生等步骤。图2为构建的机床设置信息表；通过构建机床设置信息表，使得本数控机床故障 模拟方法能够模拟不同类型机床，如图2表中可选择数控车床、数控铣床、数控磨床、数控 冲床、加工中心等机床类型，数控车床可以配置数控装置、主轴、进给轴X、进给轴Z、刀架、 冷却、排屑、照明、主电气柜等部件等。因此根据不同厂商生产的数控机床修改相应的机床 设置信息表可以模拟不同的机床，增强了该方法实现的模拟装置的通用性。图3为构建的故障设置信息表；通过构建故障信息表，在模拟故障时选择不同的 故障模拟设置，使得本数控机床故障模拟方法能够模拟机床的各种故障，如图3所示的机 床硬件设置有CNC装置、主轴伺服系统、进给伺服系统、电气主回路、PLC、冷却装置、换刀装 置、液压装置、润滑装置等，其中在主轴伺服系统中可以设置电机欠压故障、电机过压故障、 电机过载故障、电机过流故障、电机缺相故障、电机相序错故障等等故障，这些故障设置选 项可以根据实际机床的故障对故障设置信息表进行修改，并可注明产生该故障的原因，通 过修改故障信息表，可以满足模拟各种不同故障的需求，增强了该模拟装置的通用性。图4为采用梯形图构建机床逻辑模型的梯形图软件；通过依照模拟的实际机床电 气原理图5可以构建机床逻辑模型梯形图如图6所示，使得本数控机床故障模拟方法能够 实现与实际机床相同的逻辑响应，达到真实模拟实际机床逻辑响应的目的。逻辑模型除可 采用梯形图外也可采用C语言来实现逻辑。图7为采用matlab构建机床伺服模型。通过调用建模仿真工具的模块库对伺服系统的三环(位置环、速度环、电流环)PID控制和机床传动机构建立传递函数仿真模型。通 过所建的理想模型来实现伺服驱动系统和机床传动机构的动态仿真，并反馈三环的数据回 数控装置。图8. 1,8. 2为在机床模型中嵌入机床故障点。如图8. 1为了模拟主轴速度异常。 在机床的逻辑模型中插入故障点0即x22. 0。当xO. O有效，rO. 4有效，rO. 5无效或者rO. 5 有效，rO. 4无效时，故障点x22. O置1，则定时器tO时间到达，8s后设置y30. 1有效。(当运 行允许时，设置故障，主轴速度在8秒内未到达发出报警信号)。如图8. 2为了模拟编码器 接触不良，插入故障点4即x20. 3。若xO.O有效，xl. 3有效，rO. 2通电，则rO. 7置1，KA7 继电器有效，设置故障点x20. 3。若置x20.3为1，则y20.4无效，输出故障报警y30.3。(当 运行允许，Z轴抱闸，KA2继电器得电，KA7继电器得电时，若通过上位机置故障点4的地址 x20. 3为1，则ζ轴编码器不得电，发出故障报警信号)。通过在构建的机床逻辑模型中嵌入机床故障点，使得本数控机床故障模拟方法能 够实现与实际机床相同的故障响应。通过控制故障点的休眠和唤醒，可以实现模拟机床的 正常运行响应和故障运行响应。图9为运行机床仿真模型。机床数据、故障数据、逻辑模型、伺服模型构造完毕后 采用如图9所示的系统操作来确定各数据的运算和流向，因而能方便运行机床仿真模型并 得到模拟出的反馈数据，得到跟真实机床同样的反馈。图10触发机床故障产生。在构建的机床逻辑模型中嵌入的机床故障点正常运行 中是休眠的，不会导致故障产生，因此本数控机床故障模拟方法首先可以模拟数控机床的 正常运行，当进行故障设置或一些故障条件满足时，本数控机床故障模拟方法能使触发机 床故障产生故障点唤醒信号，使得够实现与实际机床相同的故障响应。如图10所示在操作 人员钩选电气主回路中输入缺相后，该设置数据通过网络传送给下位机，从而触发下位机 运行模型中插入的故障点导致故障爆发。通过以上步骤可以方便的模拟数控机床的故障，解决高档数控装置的故障检测功 能和能力。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参 照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖 在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
一种数控机床故障模拟方法，主要通过构建机床设置信息表，构建故障设置信息表，构建机床逻辑模型，构建机床伺服模型，嵌入机床故障点，运行机床仿真模型，触发机床故障产生来实现数控机床故障的模拟。
2.根据权利要求1所述的一种数控机床故障模拟方法，其特征在于构建机床设置信息 表；通过构建机床设置信息表，使得权利要求1所述的一种数控机床故障模拟方法能够模 拟不同类型机床，比如数控车床、数控铣床、加工中心等，能满足对不同厂商生产的数控机 床的模拟，增强了该方法实现的模拟装置的通用性。
3.根据权利要求1所述的一种数控机床故障模拟方法，其特征在于构建故障设置信息 表；通过构建故障信息表，在模拟故障时选择不同的故障模拟设置，使得权利要求1所述的 一种数控机床故障模拟方法能够模拟机床的各种故障，比如电源回路缺相、编码器接触不 良、伺服强电断开等，通过修改故障信息表，可以满足模拟各种不同故障的需求，增强了该 模拟装置的通用性。
4.根据权利要求1所述的一种数控机床故障模拟方法，其特征在于构建机床逻辑模 型；通过依照模拟的实际机床构建机床逻辑模型，使得权利要求1所述的一种数控机床故 障模拟方法能够实现与实际机床相同的逻辑响应，达到真实模拟实际机床逻辑响应的目 的；逻辑模型可采用梯形图或C语言来实现。
5.根据权利要求1所述的一种数控机床故障模拟方法，其特征在于构建机床伺服模 型；通过调用建模仿真工具的模块库对伺服系统的三环(位置环、速度环、电流环)PID控制 和机床传动机构建立传递函数仿真模型；通过所建的理想模型来实现伺服驱动系统和机床 传动机构的动态仿真，并反馈三环的数据回数控装置。
6.根据权利要求1所述的一种数控机床故障模拟方法，其特征在于嵌入机床故障点； 通过在构建的机床逻辑模型中嵌入机床故障点，使得权利要求1所述的一种数控机床故障 模拟方法能够实现与实际机床相同的故障响应；通过控制故障点的休眠和唤醒，可以实现 模拟机床的正常运行响应和故障运行响应。
7.根据权利要求1所述的一种数控机床故障模拟方法，其特征在于触发机床故障产 生；在构建的机床逻辑模型中嵌入的机床故障点正常运行中是休眠的，不会导致故障产生， 因此权利要求1所述的一种数控机床故障模拟方法首先可以模拟数控机床的正常运行，当 进行故障设置或一些故障条件满足时，权利要求1所述的一种数控机床故障模拟方法能使 触发机床故障产生故障点唤醒信号，使得够实现与实际机床相同的故障响应。
全文摘要
本发明公开了一种数控机床故障模拟方法，主要通过构建机床设置信息表、构建故障设置信息表、构建机床逻辑模型、构建机床伺服模型、嵌入机床故障点、运行机床仿真模型、触发机床故障产生来实现数控机床故障的模拟。该数控机床故障模拟方法主要解决高档数控装置的故障检测功能和能力的试验条件，可以模拟数控机床故障、可编程控制器故障、伺服驱动器和伺服电机故障、主轴驱动器和主轴电机故障。利用该方法模拟的数控机床的故障可以用来检测数控装置对数控机床故障的响应、保护、自动修复等能力。
文档编号G05B17/00GK101984375SQ201010545489
公开日2011年3月9日 申请日期2010年11月16日 优先权日2010年11月16日
发明者任清荣, 周会成, 唐小琦, 奚长浩, 孙东山, 宋宝, 汤明, 陈吉红 申请人:华中科技大学;武汉华中数控股份有限公司