1 引言
随着经济的发展，工业化进程加快，制造业逐步由劳动密集型向技术密集型转变，其主要特点是进口的先进设备大量增加，以及以数控机床为代表的现代基础机械的大力发展。数控机床的研制和推广应用，对于提高劳动生产率和产品质量，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力，改变我国制造技术落后的状况起着极为重要的作用。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各国加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。
南通纺织职业技术学院作为高等职业技术院校，以就业为导向，培养面向生产、建设、管理、服务的技术应用型人才。为适应制造业产业结构的调整，满足社会对数控加工、数控技术应用的需求，学院于2002年开设了数控技术应用专业，该专业人才培养方案中设置了《数控技术》、《数控机床故障诊断与维修》、《数控机床电气控制》等课程，并有两周《数控机床故障诊断实训》。学院现有的数控设备，要么是教学专用设备，只能用于操作、编程方面的教学，且一些数控功能受到限制，要么是生产通用设备，不具备常见故障的诊断与维修实训能力。生产教学两用数控车床在普通数控车床的基础上增设了常见电气故障点，电气箱、操作箱为半透明(开玻璃窗)的开放结构，使学生在确保安全的情况下(电气箱门、操作箱后盖关闭时)能观察到全套数控装置，并能了解相互之间的连接关系，进行故障诊断训练时，透过玻璃窗观察接触器、继电器的得失电状态，将大大有助于故障的诊断与排除。因此，生产教学两用数控车床，将实训与生产有机地联系在一起，实训时，可用于数控机床结构、数控系统组成、数控机床操作、编程、数控加工工艺、常见电气故障诊断与维修等项目认识及训练之用;生产时，适用于单件或小批量车削外圆、内圆、端面、螺纹以及定型表面等加工，生产效率高，加工精度高，质量稳定可靠。
生产教学两用数控车床的研制，既改善了数控技术实训条件，又能在实训之余进行车削加工，创造一定的经济效益。
2 研制方案
本课题研制工作量大，涉及面广，基本方案是购置车床光机，加配数控装置，集中设置电气故障点。
2.1 车床光机的选择
经横向比较及多方咨询，车床光机选择c6141型，x、z轴改为滚珠丝杠螺母副传动，经稳定性及刚度验算，公称直径纵向选d0=40mm，横向选d0=25mm，采用双螺母垫片预紧、浮动返向器内循环方式，结构紧凑，传动刚度好;主轴电机选择4极变频调速电机，功率为5.5kw，采用变频器实现变频调速，同时配以四档齿轮换档，四档速度调节范围分别为20~260r/min、250~600r/min、330~870r/min、840~2000r/min;在主轴上安装主轴脉冲发生器进行螺纹的车削加工，脉冲发生器发出两种脉冲信号，一是用来控制车刀的切入起始位置，以避免乱牙，二是用来控制车刀的进给量，以保证螺纹导程正确; 电动刀架选择ldb4-c6163型四工位电动刀架，该型号刀架采用了由销盘，内外齿盘组合成的三端齿定位机构。该机构实现了上刀体不抬起而顺转位换刀的要求从而排除了冷却液屑对刀架转位时的侵扰，解决了刀架的密封问题。
2.2 数控系统的选择
目前在我国流行的数控系统有很多，如日本fanuc cnc系统、德国siemens sinumerik cnc系统以及国产knd cnc系统等。siemens sinumerik 802s cnc系统采用32位微处理器，集成式plc、分离式小尺寸操作面板，有良好的性价比，是一种先进的经济型cnc系统。故数控系统选择siemens sinumerik 802s cnc，x、z轴进给采用五相步进电机，以增加运行的平稳性。
2.3 电气故障点的设置
根据数控车床在生产实际中经常出现的电气故障，共设置了20个电气故障点。每个故障点的设置由一只钮子开关控制实现，故障点之间可进行组合，大大扩大了故障诊断的范围。故障点集中安装于车床后面的工具箱内，有铭牌标识，为实训时的指导工作提供了便利。箱门可上锁，便于故障点的设置隐蔽、客观，减少人为因素的影响。当本数控车床用于正常生产，或用于学生操作、编程训练时，应先将所有故障点钮子开关设置成正常工作状态，并锁好箱门。
2.4 电气箱、操作箱的开放式设计
为使学生在确保安全的情况下(电气箱门、操作箱后盖关闭时)能观察到全套数控装置，电气箱、操作箱设计成半透明的开放结构。为减小电气箱的体积，电气箱内电气元件排布紧凑，设备总电源引入开关由门把手操动，以确保开门断电，保证安全。经过观察分析后，在电气箱门上开设上下两个玻璃窗，并设置了加强筋，一是为了避开门开关，二是为了提高刚性。操作箱的开放结构则利用了后盖板，选择有机玻璃制作后盖板，既简单又实用，后盖板盖上后，操作箱内的电缆连接也一览无遗。
3 电气设计
3.1 sinumerik 802s cnc系统硬件结构
802s系统构成如图1所示，图中ecu为nc控制单元，op020为nc操作面板，mcp为机床控制面板， di/o为数控系统内置plc的输入/输出模块，x□□为ecu接口: x1为数控系统工作电源接口; x2为步进电机控制信号，与驱动连接; x3为模拟主轴控制输出信号，与变频器相连; x4为主轴编码器反馈输入信号; x8为串行接口，与pc机相连; x9为操作及机床控制面板信号; x10为手轮接口; x20为高速输入接口，在此用于连接产生参考点脉冲的接近开关; x2003、x2004为plc输入接口接线端子，连接16个输入点，x2005、x2006为plc输出接口接线端子，连接16个输出点; 操作面板op020上x1001、x1002分别与机床面板mcp上x1201、x1202连接。
图1 802s系统构成框图
硬件系统中，驱动部分的连接电路如图2所示。驱动器与步进电机间的11根连线用于提供步进电机的五相十拍脉冲; 驱动器与ecu的6根连线中+puls、-puls为正、负脉冲信号，+dir、-dir为正、负方向信号，+ena、-ena为正、负使能信号。驱动器交流电源为85v，由驱动电源变压器提供，直流电源为24v，由直流稳压源提供。
图2 步进驱动电路图
3.2 电控系统总体设计
(1) 主电路图
电气控制线路主电路如图3所示，qf为电源引入开关，fu1为熔断器，对电路实现短路保护。m1为主轴电机，型号为yvp132m-4，5.5kw，选择康沃变频器cvf-g2-4t0055b实现变频调速，接触器km1控制变频器的通电和断电，当变频器无故障时，km1吸合，变频器通电，当变频器在运行过程中出现故障时，km1释放，变频器自动断电。fr1为热继电器，对主轴电机实现长期过载保护， rc1为三相灭弧器，构成三相负载的阻容吸收回路，能够抑制接触器吸合释放时的干扰噪声。变频器的主回路接线端:电源输入为ac380v，输入端为r、s、t，变频器输出控制电机端为u、v、w; 变频器的控制回路接线端:vi2，频率设定电压信号输入端，±10v; gnd，频率设定电压信号公共端(即电源地); fwd，正转控制命令端; rev，反转控制命令端; cm，控制端子的公共端; p、pb，外接制动电阻端; ta、tb为变频器故障信号输出端，变频器正常时，ta-tb闭合，变频器故障时，ta-tb断开。 m2是刀台电机，由电动刀架配，正反转控制，km2吸合时，刀台电机正转，km3吸合时，刀台电机反转，刀台电机正反转的控制信号来自数控装置plc输出口q0.4、q0.5。m3是冷却泵电机。
图3 主电路图
(2) 交流控制电路图
交流控制电路如图4所示，线路电压为ac110v。
图4 交流控制电路图
(3) plc控制电路图
表1是plc i/o配置表。
plc输出接口如图5所示，有信号输出时为高电平。k1、k2、k3、k4、k5为钮子开关，用来设置电气故障点，分别模拟主轴电机正、反转，刀台电机正、反转，冷却泵电机运转故障，正常工作时，开关应闭合，设置故障时，开关分断。例如，拨动k1，使其触点分断，则当自动或手动方式下发出主轴电机正转控制信号后，虽然输出端口q0.0有输出，但ka1不能得电，主轴电机不能实现正转。利用该功能对学生进行数控故障诊断训练时，教师设置故障，学生根据故障现象，结合电气原理图，并借助数控系统自诊断功能，进行故障诊断、故障定位。
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