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1、(10)申请公布号 CN 101984376 A(43)申请公布日 2011.03.09CN101984376A*CN101984376A*(21)申请号 201010550163.9(22)申请日 2010.11.19G05B 17/00(2006.01)(71)申请人华中科技大学地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号申请人武汉华中数控股份有限公司(72)发明人唐小琦 周会成 任清荣 陈吉红宋宝 汤明 孙东山 奚长浩(74)专利代理机构北京市德权律师事务所 11302代理人周发军(54) 发明名称一种数控机床故障模拟装置(57) 摘要本发明涉及一种数控机床故障模拟装置，该装置。
2、采用现场总线与数控装置相连，内部采用上下位机结构。下位机为采用Linux实时操作系统的工控机，主要负责运行数控机床的PLC逻辑模型，并通过现场总线与数控装置进行数据交换；上位机则采用运行WINDOWS操作系统的PC机，通过通用以太网与下位机相连，主要解决数控机床参数设置、故障设置、故障报警等人机交互工作。本装置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。利用该装置模拟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。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识。
3、产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页CN 101984379 A 1/1页21.一种数控机床故障模拟装置，该模拟装置采用现场总线与数控装置相连，内部采用上下位机结构，下位机为采用Linux实时操作系统的工控机，主要负责跟数控装置进行总线数据交换和运行逻辑模型；上位机为采用WINDOWS 操作系统的PC机，通过以太网网络与下位机相连，主要解决机床参数设置、故障设置、故障报警等人机交互的工作；该设备主要由机床设置模块、故障设置模块、逻辑运算模块、伺服运算模块，机床运行显示模块、通信模块组成。2.根据权利要求1所述的数控机床故障模拟装置，其特征包括： 该设备通过。
4、数控系统现场总线从站卡来接收数控装置发送的指令和数据，得到的数据经过数控机床故障模拟装置分析处理后，一方面给数控装置反馈数据，一方面发往上位机中进行人机交互；模拟软件根据机床设置模块和故障设置模块确定的模型计算出反馈数据，该装置内部的逻辑运算模块用来模拟IO响应、伺服运算模块用来模拟伺服驱动和机床的加工特性。3.根据权利要求1所述的数控机床故障模拟装置，其特征在于所述的机床设置模块，根据所选择的模拟机床类型，对该模拟机床的各个参数进行相应的设置；通过对不同模块参数的设置，使得权利要求1所述的数控机床故障模拟装置能够模拟不同机床，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。
5、的模拟，增强了该模拟装置的通用性。4.根据权利要求1所述的数控机床故障模拟装置，其特征在于所述的故障设置模块，根据所选择的模拟机床类型，对该模拟机床的各种故障进行相应的设置，通过在故障设置模块中选择不同的故障设置，使得权利要求1所述的数控机床故障模拟装置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，能满足用户模拟各种不同故障的需求，增强了该模拟装置的通用性。5.根据权利要求1所述的数控机床故障模拟装置，其特征在于所述的逻辑运算模块，逻辑运算模块能够根据不同的逻辑模型来运算获得IO反馈结果，逻辑模型可采用梯形图或C语言来实现。6.根据权利要求1所述的数控机床故障模拟装。
6、置，其特征在于所述的伺服运算模块，考虑理想状态的机床伺服驱动和传动环节，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，并通过总线反馈三环的数据回数控装置。7.根据权利要求1所述的数控机床故障模拟装置，其特征在于所述的机床运行状态显示模块，用于模拟显示机床运行的状态，如位置信息，刀具信息，控制柜IO点信息，故障信息；其中位置信息以位置数据显示，刀具信息显示刀号和辅助功能，控制柜IO点信息以动态按钮显示，故障信息可显示故障画面和文字信息。8.根据权利要求1所述的数控机床故。
7、障模拟装置，其特征在于所述的通信模块，通信模块包括下位机跟数控装置间的总线从站模块，下位机跟上位机之间的TCP/IP服务器端，上位机的TCP/IP客户端。权 利 要 求 书CN 101984376 ACN 101984379 A 1/3页3一种数控机床故障模拟装置技术领域0001 本发明属于数控装置测试设备，具体涉及一种数控机床故障模拟装置。背景技术0002 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。本故障模拟装置主要解决高档数控装置的故障检测功能和能力，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。
8、主轴电机故障。利用该装置模拟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。0003 目前一些数控装置的制造厂商按照自身产品的特点，开发的故障模拟装置具有很强的专用性。由于不同厂家生产的不同型号数控机床的配置都不相同，其需要模拟的故障也不一样，因此这些专用的故障模拟装置并不能方便的模拟各种机床的各种故障。不具有通用性和故障模拟的全面性。发明内容0004 本发明提供了一种数控机床故障模拟装置，该装置采用现场总线与数控装置相连，内部采用上下位机结构，下位机为采用Linux实时操作系统的工控机，主要负责运行数控机床的PLC逻辑模型，并通过现场总线与数控装置进行数据交换；。
9、上位机则采用运行WINDOWS 操作系统的PC机，通过通用以太网与下位机相连，主要解决数控机床参数设置、故障设置、故障报警等人机交互工作。0005 该故障模拟装置主要由数控机床设置模块、故障设置模块、逻辑运算模块、伺服运算模块，机床运行显示模块、通信模块组成。0006 机床设置模块，用于用户设置不同的机床类型（如车床、铣床、加工中心等），选择相应的轴数和结构，根据机床类型导入相应的故障库；显示相应的机床IO状态，配置相应的机床PLC逻辑模型和伺服驱动系统模型；最后将所有的设置保存为一台特定的机床模型。机床设置在PC机上的人机界面进行，机床模型通过网络传送给下位机。0007 故障设置模块，用于用。
10、户设置需要模拟的故障，如电气回路中输入缺相、电压过低等。所有的可选择设置故障在用户设置机床类型后，自动载入故障库文件，用户在选定设置的故障后，设定故障以故障数据保存，并通过网络传送给下位机。0008 逻辑运算模块，根据机床设置模块所设置的不同机床模型，逻辑运算模块接受数控装置发送的I/O信息，并将这些信息作为输入，依据数控机床的PLC逻辑关系，运算出反馈回数控装置的I/O信息，模拟机床控制电路运行后的状态。0009 伺服运算模块，考虑理想状态的机床伺服驱动和传动环节，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。
11、型来实现伺服驱动系统和机床传动机构的动态仿真，并通过总线将伺服模块三环的数据反馈回数控装置。说 明 书CN 101984376 ACN 101984379 A 2/3页40010 机床运行状态显示模块，用于模拟显示机床运行的状态，如位置信息，刀具信息，控制柜I/O点信息，故障信息。其中位置信息以位置数据显示，刀具信息显示刀具号和辅助功能，控制电路I/O点信息以动态按钮显示，故障信息可显示故障画面和文字信息。0011 通信模块，通信模块包括下位机与数控装置之间的总线连接及数据通信，下位机与上位机之间的TCP/IP服务器端，上位机的TCP/IP客户端。0012 故障模拟装置与实际机床相同的是，该系。
12、统具有能接收数控装置指令、并反馈数控装置所需数据的物理接口，这个数据交换接口可以是数控系统现场总线的一个节点，也可以是整个数控系统控制回路中开放的信号采集接口。与实际机床不同的是，该系统是一个实际机床的数据和逻辑的仿真模型，根据机床类型通过设置故障表和设置机床类型和I/O点，来模拟机床的各种故障。附图说明0013 图1为本发明的功能模块关系图；图2为本发明的硬件结构关系图；图3为本发明的软件结构关系图；图4为本发明的具体实施方式图；图5为本发明的故障模拟软件运行界面；图6为本发明的机床建模软件运行界面。具体实施方式0014 图1所示为本发明设计的一种数控机床故障模拟装置的内部各功能模块之间结构。
13、关系示意图。包括机床设置模块、故障设置模块、逻辑运算模块、伺服运算模块，机床运行显示模块、通信模块。0015 各模块间的任务划分如下：机床设置模块，用于用户设置不同的机床类型（如车床、铣床、加工中心等），选择相应的轴数和结构，根据机床类型导入相应的故障库；显示相应的机床IO状态，配置相应的机床PLC逻辑模型和伺服驱动系统模型；最后将所有的设置保存为一台特定的机床模型。机床设置在PC机上的人机界面进行。0016 在用户设置中选择相应的机床设置，在故障设置栏中设置项进行相应的更改，如一般机床都具有电气回路、主轴系统、进给系统、冷却系统、防护系统等，对于加工中心则还有刀库和换刀装置等。0017 在用。
14、户设置中选择相应的机床设置，在机床运行状态显示面板将变换显示不同的系统和I/O点的状态。0018 一旦机床设定完成，最后将形成一台特定机床的模型，包括机床的类型、结构、逻辑模型、可设置故障、显示状态。机床模型通过网络传送给下位机。 故障设置模块，用于用户设置需要模拟的故障，如电气回路中输入缺相、电压过低等。所有的可选择设置故障在用户设置机床类型后，自动载入故障库文件，故障库包括可设置故障、故障现象和故障可能原因。用户在选定设置的故障后，设定故障以故障数据保存，并通过网络传送给下位机。说 明 书CN 101984376 ACN 101984379 A 3/3页50019 故障设置后，在机床运行状。
15、态显示面板将根据下位机运算的I/O状态触发状态面板的刷新，并可显示故障的模拟图片。0020 图2所示为本发明设计的一种数控机床故障模拟装置的硬件结构关系图。故障模拟装置由上位机和下位机组成。上位机采用PC机和通用以太网，运行Windows操作系统。下位机采用带通用以太网的工控机，通过并行总线与现场总线从站卡相连，运行 Linux操作系统。下位机通过现场总线主站卡与数控装置对接，通过以太网与上位机互联。0021 图3所示为本发明设计的一种数控机床故障模拟装置的软件结构关系图。上位机以运行人机界面的显示、配置、模型载入和测试结果输出等工作。因此上位机运行2个进程模块，FaultSim、Plcad。。
16、0022 FaultSim故障模拟模块用于数控装置在故障功能方面的测试，该模块负责机床逻辑模型载入、故障项目的设置和测试结果的显示，如图4所示。Plcad模块主要用来对机床的逻辑模型进行建模，建模可采用梯形图和C语言，如图5所示。0023 下位机进行数据的采集、运算、实时反馈和与上位机通信。下位机主要运行逻辑模拟进程RunPLC和通信模块进程。逻辑模拟进程RunPLC，在其上运行Plcad生成的逻辑模型*.plg，不同的机床对应不同的逻辑模型，可根据测试的机床电气原理图创建对应机床逻辑模型。逻辑模拟进程根据总线输入的I/O数据，通过机床PLC逻辑模型运算I/O的反馈数据。其一部分反馈通过总线发。
17、送回数控装置，另一部分发送给上位机进行显示。0024 通信模块进程包括两部分，一部分为从现场总线从站卡缓冲区读取数据和填入反馈数据，这部分实时性较高；另一部分为通过Socket（TCP/IP协议）向上位机发送数据和接受配置和控制指令，这部分实时性要求较低，主要用于显示、仿真、与操作者交互。0025 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。说 明 书CN 101984376 ACN 101984379 A 1/3页6图1图2说 明 书 附 图CN 101984376 ACN 101984379 A 2/3页7图3图4说 明 书 附 图CN 101984376 ACN 101984379 A 3/3页8图5图6说 明 书 附 图CN 101984376 A。