1 故障诊断盒的设计构想与设置说明
数控机床正常运行的核心部件是其数控系统，而数控系统正常工作的主要内容包括对数控设备上非常多的逻辑信号进行时序控制。法拉克系统的PMC逻辑控制包括，机床的开机、停机；主轴的起动、停止；加工的开始、结束、中断；润滑、冷却的开、关；工件的装、卸控制；找刀、换刀；工作台交换；辅助机械的起、停等动作信号。目前数控设备上常见的故障主要是电气故障，反应出来的核心实质就是PMC的信号问题。本故障诊断盒设计的初衷就是模拟数控设备运行过程中可能出现的PMC问题，人为设置部分故障，让受训者进行针对性的分析、训练，达到快速提高其相应技能的目的。
设置的故障点主要有：主轴正反转故障；冷却故障；润滑故障；X、Y、Z正负超程及锁定故障；程序停止故障；三轴锁定故障；手轮无效故障；DNC、AUTO模式无效故障；M03、M08程序停故障；主轴未转故障；单段生效故障；无增量模式故障；程序保护故障；MST锁定故障；Z轴抱闸故障。这些都是机床中常见的故障类型。
以“X、Y、Z正负超程”故障为例，当机床的工作台向某轴的某一个方向移动时，机床撞到限位开关时，机床就会接受PMC程序反馈信号出现超程报警。但如果机床没有撞上限位开关，又想使机床出现超程报警，就要利用故障盒人为的设置各轴限位开关。同时在梯形图相应的各轴限位信号位置加上程序段，达到故障设置效果。
如图1是X轴正方向限位开关的梯形图,当机床工作台向X轴正方向移动时,到达限位开关并撞上时，X1008.1就闭合，线圈G0114.0得电，机床出现X正方向超程报警。为了使机床在没有撞上限位开关的情况下出现超程报警，在图2中X1008.1位置并联X1004.1，当限位开关X1008.1没有闭合时，可以通过故障盒开关X1004.1使机床人为出现X正方向超程报警。同样方式可设置X-，Y+，Y-，Z+，Z-轴故障点。
图1 X轴正向限位体形图
图2 X轴正向限位故障设置图
2 故障盒电气原理图
FANUC 0i系统的机床有四组插头管脚。其中CB105和CB107已使用，被使用的地址：X1008.0-X1008.7；X1009.0-X1009.7；X1002.0-X1002.7；X1003.0-X1003.7；X1007.0-X1007.7；X1010.0-X1010.7；故障盒使用另外两组空置的插槽：CB104和CB106，其相应的地址如图3是X地址输入：X1004.0-X1004.7；X1005.0-X1005.6；图4是Y地址输出：Y1004.0-Y1004.7；Y1005.0-Y1005.6。
图3 故障盒对应地址输入
各地址对应的故障：
X1004.0—主轴正转；X1004.1—X1004.3分别对应是X、Y、Z轴的正方向超程；
X1004.4—主轴反转；X1004.5—X1004.7分别对应是X、Y、Z轴的负方向超程；
X1005.0—冷却故障；X1005.1—润滑故障；X1005.2—程序结束；X1005.3—X、Y、Z轴锁定；X1005.4—手轮无效；X1005.5—DNC模式无效；X1005.6—AUTO模式无效；而Y地址就是对应以上故障在故障盒上的LED灯输出。
如图5是X地址输入：X1000.0—X1000.7；X1001.0—X1001.6；图6是Y地址输出：Y1000.0—Y1000.7；Y1001.0—Y1001.6
图4故障盒对应地址输出
图5故障对应地址输入
图6故障对应地址输出
各地址对应的故障：
X1000.0—X1000.2分别是X、Y、Z轴锁定；X1000.3—X1000.5分别是手轮X、Y、Z失效；X1000.6—M03程序停止；X1000.7—M08程序停止；X1001.0—无主轴速度；X1001.1—单段生效；X1001.2—无增量模式；X1001.3—程序保护；X1001.4—MST锁定；X1001.5—Z轴抱闸；而Y地址就是对应以上故障在故障盒上的LED灯输出。
3 故障盒梯形图的改进
当硬件连线都连接好后，最后一步就是相应故障点设置的地址在图形图的相应位置添加程序段，使其故障功能得以实现。以下就是故障诊断盒的一部分故障点设置程序梯形图添加说明。
如图7是未加故障盒设置之前的原梯形图，当机床侧的DNC模式按键按下，并处于AUTO模式下时,线圈G0043.5得电，程序便可以以DNC模式加工。但现在要使DNC模式失效就要在图7上作修改，如图8中在线圈G0043.5上串联一个常闭触点X1005.5。当故障盒DNC模式无效的开关打开时，触点X1005.5由常闭变成常开，使线圈G0043.5无法接通。即使按了DNC模式按键也无法实现DNC加工，而在后面多加一条语句是来控制开关在故障盒对应的LED灯，用来判别是否设置了故障，当开关X1005.5闭合线圈Y1005.5输出，故障盒的灯就会亮。
如图9是存储器保护的梯图，它用于防止零件程序、偏移值、参数和设定数据错误地存储、修改或清除。使来自MDI面板的存储器内容的修改有效。共有4个信号，各执行的存储器内容操作，取决于参数No.3290第七位（KEY）的设定。
图7 DNC原工作梯形图 图8 DNC工作故障设置梯形图
图9 存储器保护梯形图
图10存储器保护故障设置梯形图
当KEY=0时：
KEY1：使刀具补偿值，工件零点偏移值和工件坐标系偏移量的输入有效。KEY2：使SETTING数据、宏变量和刀具寿命管理数据的输入有效。KEY3：使程序输入和编辑有效。EY4：使PMC数据有效（计数器数据表）。
当KEY=1时：
KEY1：使程序输入和编辑，以及PMC参数的输入有效。KEY2到KEY4：不用。
当信号为0时，输入无效，系统就会出现WRITE PROTECT（写保护），我们设置故障盒也就是要实现此功能，所以在KEY（X0001.4）按键下并联一个X1001.3，如图10，当X1001.3合上时，信号为0，即输入无效。而Y1001.3是相对应的LED灯。
图11 单程序段运行梯形图
图12 单程序段运行故障设置梯形图
如图11是单程序段运行的梯形图，单程序段运行仅对自动运行有效，自动运行期间当单程序段信号（SBK）置为1时，执行完当前程序段后，CNC进入自动运行停止状态。当单程序段信号（SBK）设定为0时，重新执行自动运行。在用户宏程序执行期间的单程序段运行状态，取决于参数N.06000第5位（SBM）的设定：SBM=0在用户宏程序语句中运行不停止，执行了下一个NC指令后停止。SNM=1在宏程序语句中每个程序段后运行停止。如图12通过诊断盒设置，使单程序段信号G0046.1（SBK）置为1。
图13 机床锁住梯形图
如图13是机床锁住的梯图，所有轴的机床锁住信号MLK或各轴机床锁住信号MLK1~MLK4置为1时，在手动或自动运行中，停止向伺服电机输出脉冲（移动指令），但依然在进行指令分配，绝对和相对坐标也在被更新，所以操作者可以通过监控位置的变化来检查指令编制是否正确。当G0044.1为1时，在手动或自动运行时，不向所有轴的伺服电机输出脉冲（移动指令），机床工作台不移动。所以只要并联一个开关就可以使信号MLK置1，如图14。
图14 机床锁住故障设置梯形图
参照示例，其他故障点设置如出一辙，在此就不一一叙述。
4 结论
数控机床是集合了计算机数字控制技术、可编程控制技术、伺服控制技术、机械传动技术、气动与液压技术的一体化产品。数控设备发生故障的原因很多，且往往带有多方面的综合因素，为方便分析和处理故障，以及对数控维修受训人员进行故障模拟训练，建构理论知识学习体系，均可采用本故障诊断盒模拟系统。
(审核编辑: 智汇小新)
