基于C的数控车床自动刀架辅助故障诊断实验平台设计

周小超 曹昌勇 林华 程振邦 王子权

摘 要：为了提高数控车床自动刀架维修实验的效果，通过分析自动刀架诊断技术和常见故障，建立了自动刀架的故障树，设计了数控车床自动刀架故障诊断实验平台.实验平台具有原理演示、故障诊断引导、检测案例和生成报告的功能，使实验过程形象化、直观化.

关键词：数控车床;自动刀架;诊断;实验平台

中图分类号：TG519.1  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2020）01-0058-03

1 前言

数控机床是先进制造技术和制造信息集成的重要组成，是《中国制造2025》实施制造强国战略的重点领域[1].数控机床是集机、电、光和液于一体的复杂机电设备，发生故障的形式多样.自动刀架是数控车床的主要部件之一，其发生故障的频数为11.3%[2].因此，分析数控机床自动刀架的故障征兆和故障原因，研究故障检测和故障维修技术，对数控机床的设计、应用和维护具有重要的意义.

数控车床自动刀架故障诊断是数控技术课程实验的重要组成.本文通过对数控车床自动刀架诊断技术和常见故障的分析，设计辅助数控技术实验教学的诊断实验平台.

2 数控车床自动刀架诊断技术

数控车床自动刀架诊断技术的基本原理和工作程序如图1所示，它包括故障档案库的建立及特征提取、故障分析、故障检测和故障排除等工作程序.

故障档案库是数控车床自动刀架故障状态信息的数据库，是自动刀架所有可能发生的故障的集合，是通过对故障的特征进行提取并归类整理得到.故障档案库是基于自动刀架的工作原理和常见故障之上建立的，是诊断实验平台的重要组成部分.

故障分析是数控车床自動刀架诊断实验平台的重要组成部分，故障分析技术有故障树分析FTA（Failure Tree Analysis）和故障模式及影响分析FMEA（Failure Mode and Effects Analysis）.本文主要采用FTA进行分析.

故障检测是通过有效的技术手段，对故障原因进行确认的过程.

故障排除是通过维修、更换失效零部件，恢复自动刀架正常工作的过程.

3 数控车床自动刀架故障库及故障树

3.1 自动刀架常见故障

数控车床自动刀架主要由电动机、蜗轮蜗杆、中轴、定位盘、发信体和定位销等组成.

数控车床自动刀架是通过加工程序指令控制的，自动换刀过程包括刀架抬起、刀架转位、刀架定位和刀架夹紧.刀架抬起和刀架转位的动作都是由电动机转动实现的.刀架转动到指定位置后，发信体发出信号，电动机反转，刀架下降，通过定位盘和定位销实现定位.电动机继续反转，通过蜗轮蜗杆锁紧刀架，当锁紧力矩达到一定值时，电动机停止转动，整个换刀过程结束.

根据数控车床自动刀架的结构和工作原理，整理出常见故障模式和故障特征见表1所示[3-6].

3.2 自动刀架故障树

故障树分析是将系统故障形成的原因从总体到部分按树枝图形进行编排，将造成故障的各种因素对应起来.

采用演绎法构建故障树时，首先把系统中不希望发生的故障作为顶端事件，再把导致顶端事件的原因作为下一级事件，如此逐级向下演绎.一般故障树逻辑图包含顶端事件、中间事件和底端事件.根据表1中的内容，构建的数控车床自动刀架的故障树如图2所示.

由图2可知，自动刀架故障是顶端事件，中间事件包括电动机不转、刀架不转或卡死和刀架卡死等，底端事件是对应中间事件的原因.

4 数控车床辅助诊断实验平台

4.1 诊断实验平台流程图

数控车床自动刀架辅助诊断实验平台是模拟维修专家的经验和思维，采用分步递进方法进行诊断.辅助诊断流程图如图3所示.

实验平台的信息提示是根据故障树中间事件列出.用户选择是指学生根据自动刀架的故障特征选择对应的事件.故障检测是指用具体的检测手段判断导致中间事件的底端事件.对底端事件的维修，排除自动刀架的故障则实验结束，否则继续进行下一个故障的排除.

4.2 诊断实验平台功能设计

（1）工作原理演示功能

数控车床自动刀架机械结构较复杂，为加深学生对其工作原理的理解，奠定故障诊断的基础，在实验平台上通过动画演示的方法形象直观展示其内部结构和工作过程.

（2）故障诊断功能

故障诊断功能是实验平台的主要功能，通过实验平台的诊断功能引导学生找出故障的原因，熟悉诊断过程，积累经验.

（3）故障检测方法

故障树中底端事件通常需要通过检测工具和检测手段才能确认.对于一些较复杂的检测，实验平台提供具体的检测方法和相应的案例.

（4）生成实验报告

整个实验结束后，诊断实验平台能根据实验过程生成一份实验报告.

4.3 诊断实验平台界面设计

（1）主界面

数控车床自动刀架辅助故障诊断实验平台是用C语言进行编写，其主界面如图4所示.主界面中“工作原理”按钮是用于播放自动刀架工作原理演示文件.通过对其原理的学习，理论结合实际开展下一步诊断实验.点击“开始”按钮则进入自动刀架故障诊断界面，如图5所示.

（2）故障诊断界面

故障诊断界面是根据图2中自动刀架故障树中间时间顺序列出.实验中根据实验平台所列的故障特征选项，结合实际自动刀架所表现的故障，做出相应的选择即可.确定自动刀架的故障特征后，点击“确定”按钮进入故障树的底端事件，如图6所示.

（3）故障检测界面

图6为故障检测界面，该界面列出了中间事件（电动机不转）所有可能问题.实验中学生需要具体判断问题所在，通过点击进入按钮，实验平台给出相应的检测方法和排除方法，通过逐一排除找到故障原因.根据排除方法排除故障后点击“确定”按钮，实验平台弹出实验结果对话框，如图7所示.

（4）实验结果界面

排除自动刀架的故障后，重新执行刀架转动指令，观察刀架运转情况，若自动刀架运行正常，则点击图7中“是”按钮，实验平台弹出“导出实验报告”对话框，如图8所示，点击“导出至.txt文档”，生成实验报告，实验结束.若重新执行刀架转动指令自动刀架仍然不能正常工作，则点击图7中“否”按钮，实验平台返回至图5的故障诊断界面，继续其他故障的诊断，直至故障全部排除.

5 结论

在实验中，数控车床自动刀架辅助诊断实验平台缩小了故障检查范围，弥补了学生经验不足的问题.提出的故障诊断排除方法，缩短了故障的排除时间，提高了学生学习的主动性.实验平台中故障树内容可以根据实验结果进行扩容，以便使平台不断完善.

参考文献：

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〔2〕李芳丽.CAK3675V数控车床故障诊断与可靠性增长技术研究[J].机械，2012（11）：71-80.

〔3〕赵太平.CAK6150数控车床故障诊断系统的研究[D].上海交通大学，2007.

〔4〕李世班.数控车床故障诊断专家系统中的故障树分析[J].制造业自动化，2009（04）：81-83.

〔5〕姚全红.数控车床的电动刀架故障诊断与维修[J].现代制造技术与装备，2017（12）：138-139.

〔6〕喻步贤.数控车床的电动刀架故障诊断与维修[J].机床与液压，2013（22）：160-162.