Диагностика электронных узлов и устройств

УЧПУ - это управляющий орган, который принимает команды в числовой, т. е. в дискретной форме, посылает их в запоминающее устройство, обрабатывает команды и управляет функциями станка. Под термином „функция” понимают не только перемещение по осям координат, но и другие операции, например, переключение скоростей подач, частоты вращения шпинделя, включение и выключение охлаждения и др.

В ЧПУ проблемы диагностики решаются с помощью встроенных в устройства внутренних систем диагностики. Причем, диагностирование проводится как во время функционирования устройства при обработке, так и с помощью диагностических тестов. Обнаруженная неисправность автоматически прерывает обработку, и на дисплее или табло индикатируется ее код. В типовой состав ЧПУ, построенного на основе мини-ЭВМ или микроЭВМ, входят следующие блоки (рис. 70): ЭВМ, постоянные и оперативные запоминающие устройства, блоки связи с устройствами ввода-вывода; блок связи со станком; пульт управления; блок отображения символьной информации; блок управления приводами; ФСУ или кассетный накопитель на магнитной ленте.

Диагностика электронных узлов и устройств

Устройство для считывания с перфоленты - сложное, с электронными и оптическими приборами. Учитывая, что сигналы этого устройства являются важным источником информации для работы станка, а само устройство считывания наиболее чувствительно к воздействию помех в ЧПУ, особое внимание уделяется его диагностированию, которое основано на проверке того, является ли четным или нечетным число сигналов кода при считывании одного знака. Правильным состоянием считается четность, соответствующая принятому коду. В результате фиксируется наиболее вероятная причина нарушения, т. е. ошибочное считывание информации с одной дорожки.

Помимо устройств для проверки на четность, система снабжена другими системами контроля, с помощью которых можно провести проверку наличия ленты, ответа о считывании знака, формального контроля ленты. При ошибке устройство останавливается и указывает неправильную запись. Кассета с магнитной лентой представляет собой вариант записи, выполненной так же, как и на перфоленте.

Пульт управления является важным элементом каждого УЧПУ. Информация в систему передается с помощью десятипозиционных декадных переключателей или клавишного ввода с применением полупроводниковых запоминающих элементов. Поскольку декадные переключатели по принципу действия представляют собой простые электромеханические запоминающие устройства, электронные схемы для обработки их сигналов просты, а диагностирование сводится к проверке надежности контакта.

Диагностика электронных узлов и устройств

Для диагностирования клавишного ввода в УЧПУ с встроенной мини-ЭВМ по окончании ввода информации и записи в запоминающее устройство происходит циклическая проверка ячеек ЧПУ с помощью резидентного проверяющего теста. Если устройство неисправно, то на индикаторах загорается код неисправности и по таблице определяется неисправная ячейка.

Блок управления приводами предназначен для выдачи в УЧПУ привода подач главного движения информации о режимах скорости, автоматического разгона и торможения. Одним из элементов ЧПУ (рис. 71), в котором формируется система управления приводами, является блок задания скорости подачи (БЗС).

При проверке работоспособности можно обнаружить неисправность, которая меняет степень работоспособности, в нашем случае - в схеме БЗС. Поскольку работоспособность объекта оценивается по выходным характеристикам или параметрам, то обнаружить неисправность подобного рода сложнее.

В объектах, которые могут быть представлены как системы с последовательным преобразованием информации, возникшую неисправность можно обнаружить следующим образом. Сигнал в каждой последующей точке подобного объекта является реакцией на сигнал в каждой предыдущей точке. Следовательно, если неисправность в объекте отсутствует, то сигнал будет проходить последовательно от точки к точке, а возникновение неисправности приводит к нарушению последовательности прохождения сигнала, что позволяет обнаружить неисправность в объекте.

Вырабатываемые УЧПУ команды управления должны обязательно соответствующим образом передаваться и обрабатываться. Комплекс устройств цепей для выполнения этих задач получил название системы сопряжения или интерфейс. По функциональным свойствам к системе сопряжения относятся: команды для управления скоростью приводов; связь с отсчетно-измерительной системой; силовые и защитные цепи; коммутационные сигналы связи между станком и УЧПУ.

Диагностирование систем сопряжения сводится к определению целостности каналов связи и контролю передаваемых уровней сигналов. Исполнение системы сопряжения для обмена двухуровневой (коммутационной) информацией между УЧПУ и механизмами станка осуществляется в блоке управления на интегральных схемах. Блок управления представляет собой законченный функциональный узел, который включает в себя логическую часть, цифроаналоговый преобразователь (рис. 72).

Диагностика электронных узлов и устройств

При диагностике цифрового блока необходимо:

1. С помощью вольтметра и амперметра замерить напряжение (15 В) на выходе стабилизатора и потребляемый ток не более (2,5 А). При необходимости установить напряжение + 15 В ± \% на выходе стабилизатора, а при повышенном токе потребления проверить работу стабилизатора напряжения.

2. С помощью светодиодной индикации на плате блока проверить прохождение основных цифровых и адресных сигналов. Если команда не проходит, необходимо проследить прохождение сигнала, используя осциллограф.

3. Проверить логику отработки основных режимов работы блока, манипулируя кнопками цифровой, адресной и режимной информации на пульте оператора станка. Если режим работы блока отрабатывается неправильно, проследить прохождение сигналов, используя осциллограф.

Проверка УЧПУ на базе микроЭВМ осуществляется программой „Резидентный проверяющий тест” (РПТ) и программой анализа ошибок ввода и работы устройства, размещенной в ПЗУ микроЭВМ.

РПТ работает в момент включения устройства и в фоновом режиме при отработке функциональных программ. При обнаружении неисправности на индикаторе высвечивается код ошибки и загорается мигающий индикатор „Внимание”.

УЧПУ построены на интегральных микросхемах. В силовых цепях устройств, таких, как источники питания и усилители мощности, вырабатываемых УЧПУ сигналов, применяют транзисторы, тиристоры и диоды. Для индикации используют телевизионные трубки, знакоин- дикаторы и светодиоды. В УЧПУ применяют транзисторно-транзисторные логические схемы (ТТЛ), работающие с напряжением 5 В.

Интегральные микросхемы (ИМС) представляют пластинку кристалла кремния площадью 10...30 мм2, на поверхности которой расположены микроскопические транзисторы. В зависимости от числа транзисторов различают микросхемы малой (десятки транзисторов), средней (сотни транзисторов), большой (БИС - десятки и тысячи транзисторов) и сверхбольшой (СБИС - десятки и сотни тысяч транзисторов) степени интеграции. Пластинка кремния заключена в прямоугольный пластмассовый корпус (рис. 73) с металлическими выводами. Различают цифровые и аналоговые микросхемы, причем применение аналоговых микросхем в УЧПУ ограничено. Цифровые микросхемы серии К155, применяемые в УЧПУ типа Н22, НЗЗ и других, обрабатывают и выдают на выход при напряжении источника питания + 5 В два вида сигналов: сигнал логического нуля порядка + 0,5 В и сигнал логической единицы порядка + 4,5 В.

Диагностика электронных узлов и устройств

Схематически логические элементы, входящие в состав указанной серии, могут быть образованы комбинированием двух базовых схем: логического элемента И-НЕ (рис. 74) и расширителя по ИЛИ. Рассмотрим работу ИМС на примере двухвходового элемента И-НЕ. Схема содержит n-р-n-транзисторы (VT2... VT4), мyогоэмиттерный транзистор VТ1, а также резисторы R1...R4 и диод VД. Такая схема обеспечивает возможность работы на большую емкостную нагрузку при высоком быстродействии и помехоустойчивости.

Схема состоит из следующих каскадов: входного многоэмиттерного транзистора VT1 с малым инверсным коэффициентом усиления по току, фазорасщепляющего каскада, построенного на проходном транзисторе VT2 (этот каскад работает в режиме с малым рабочим током и имеет малые емкости р-n-переходов): двухконтактного выходного каскада (VT3, V Т4). Транзистор VT4 рассчитан на большой рабочий ток. Через этот транзистор стекают входные токи ключей-нагрузок.

Отличные импульсные свойства ИМС при большей емкостной нагрузке объясняются тем, что заряд нагрузочной емкости проходит через выходную цепь. Однако при переключении выходных транзисторов существует момент, когда они оба открыты, поэтому в цепи питания схемы возникают кратковременные, но мощные импульсы тока, которые могут привести к появлению импульсов помехи. Во избежание этого в аппаратуре, построенной с применением этих ИМС, необходимо создать цепи питания с малой индуктивностью проводников и предусмотреть развязки между соседними платами устройства.

Работа логического элемента И-НЕ. Если на один из элементов входной цепи - эмиттер транзистора VT1 - подан потенциал „Земля”, переход база-эмиттер транзистора VT1 открыт, но образующийся при этом потенциал U6 = 0,8 В не может открыть три р-п-перехода:    база-коллектор транзистора VT1, база-эмиттер транзисторов VT2 и VT4 (для открывания этой цепи необходим потенциал 1, 8 В). Потенциал на базе транзистора VT4 близок к нулю, и транзистор VT4 закрыт. Потенциал на коллекторе VT2 и на базе VT3, близкий к напряжению источника питания + 5 В, открывает переход база-эмиттер транзистора VT3 и диод VD, вызывая ток Iвых.

Дальнейшее увеличение UBX приводит к увеличению потенциала на базе транзистора VТ1 до 1, 2 В. Этого достаточно, чтобы открыть два перехода база-коллектор VTI и база-эмиттер транзистора VT2. Транзистор VT2 открывается, ток, протекающий через резистор R2,увеличивается, что вызывает уменьшение напряжения на коллекторе транзистора VT2. Увеличение тока через резистор R3 вызывает увеличение потенциала на базе транзистора VT4 и приводит к его открыванию. Открытый транзистор VT4 шунтирует резистор R3, что резко увеличивает коэффициент передачи транзистора V2, и вызывает дальнейшее уменьшение напряжения на его коллекторе. Однако некоторое время транзистор VT4 уже открыт, а транзистор VT3 еще не закрыт, что приводит к резкому росту силы тока и увеличению мощности, потребляемой от источника питания. Ток ограничивается при этом резистором R4, объемными сопротивлениями VT3, VT4 и диода VD. Этот ток называется током короткого замыкания, который приводит к увеличению потребляемой мощности в динамическом режиме.

При дальнейшем увеличении UBX транзисторы VT2 и VT4 переходят в режим насыщения. Наличие диода обеспечивает смещение напряжения открывания транзистора VT3 и надежное его запирание.

В реальных схемах в отличие от упрощенной схемы И-НЕ в базу выходного транзистора вместо резистора R3 включена корректирующая цепочка, состоящая из двух резисторов и транзистора, которая позволяет получить передаточную характеристику, по форме близкую к прямоугольной.

Диагностика электронных узлов и устройств

Диагностика электронных узлов и устройств

Основная номенклатура логических элементов ТТЛ может быть образована на микросхемах, выполняющих функции логической обработки входных сигналов, таких, как инвертор (рис. 75). Схема состоит из выходных п-р-п-транзисторов: насыщенного (VT5) и составного эмиттерного повторителя (VT3 и VT4). Для поочередного включения выходных п-р-п-транзисторов необходим промежуточный каскад, который называется расщепителем фазы входного сигнала. Расщепитель фазы состоит из транзистора VT2 и резисторов R2 и R3. Каскад имеет два выхода: коллекторный и эмиттерный, импульсы на которых противофазны.

Выходные транзисторы, включаемые поочередно, аналогичны перекидному тумблеру: на нагрузку можно включать напряжение высокого выходного или низкого уровня.

Подадим на вход X напряжение низкого уровня (U1BX = 0). Тран- _зистор VT1 не может дать базовый ток 1б на транзистор VT2, и транзистор находится в разомкнутом состоянии. Резистор R2 присоединен к проводу питания 5 В, поэтому выходное напряжение высокого уровня появится на эмиттере транзистора VT4. Каскад на транзисторе VT4- эмиттерный повторитель. Он не может перейти в состояние насыщения, и поэтому минимальное напряжение усилительного режима для транзистора VT4 не падает ниже 0,7... 1 В.

Подадим на вход логического элемента напряжение высокого уровня (UBX1 = 1). Транзистор VT2 получает теперь базовый ток 1б от коллектора VT1 и откроется. Часть поступит в базу транзистора VT5. Этот транзистор перейдет в состояние насыщения, т. е. замкнется. Выход логического элемента окажется подключенным к земле, т. е. произошла инверсия.

В схеме инвертора присутствуют два вспомогательных элемента: диод VD, защищающий вход от пробоя, и резистор R4, ограничивающий в выходном каскаде сквозной ток короткого замыкания транзисторов VT4 и VT5. Импульсы тока короткого замыкания, наводящие большие помехи в шинах питания, - один из самых существенных недостатков. Для уменьшения их влияния в цепях питания на печатной плате следует устанавливать керамические конденсаторы развязки с номиналами 0,1 мкф и более.

Базовую микросхему серии К155 используют для расширения числа входов логического элемента. Например, элемент с двадцатью входами И не выпускают, так как это редко применяемый элемент. Решить задачу можно с помощью расширителя (рис. 76) или элементов с общим коллектором. Предпочтителен способ увеличения числа входов с помощью схемы-расширителя, имеющей вспомогательные выводы коллектора и эмиттера транзистора VT2. Одноименные выводы Y1 или Y2 нескольких элементов можно объединить. Параллельное соединение дает функцию ИЛИ (расширение по ИЛИ). Микросхемы малой степени интеграции выполняют функции логической обработки выходных сигналов.

Диагностика электронных узлов и устройств

Диагностика электронных узлов и устройств

Логический элемент И имеет выходной сигнал, определяемый логической функцией И его входных сигналов. Так, если все входы логического элемента имеют состояние логической 1, то и его выход имеет состояние логической 1. Как видно из таблицы истинности (рис. 77, а), для получения на выходе Y логической 1 необходимо наличие логической 1 как на входе XI, так и на входе Х2. Помимо микросхем с двухвходовыми элементами И выпускают микросхемы, содержащие четырех- и восьмивходовые логические элементы И.

Диагностика электронных узлов и устройств

Диагностика электронных узлов и устройств

Логический элемент ИЛИ имеет выходной сигнал, определяемый логической функцией ИЛИ его входных сигналов. Так, если хотя бы один из входов логического элемента имеет состояние логической 1, то и выход имеет состояние логической 1 (рис. 77, б). Выход Y равен логической 1, когда на входе XI или входе Х2 присутствует логическая 1. Выпускают микросхемы, содержащие двух-, трех-, четырех- и восьмивходовые логические элементы ИЛИ.

Логический элемент ИЛИ-HE эквивалентен логическому элементу ИЛИ, к выходу которого подключен инвертор, реализующий функцию НЕ. Если хотя бы один из входов логического элемента имеет состояние логической 1, то его выход имеет состояние логического 0 (рис. 77, в). Выпускают микросхемы, содержащие трех-, четырех- и восьмивходные логические элементы ИЛИ-НЕ.

Для хранения информации (0 или 1) используют логическую схему с двумя устойчивыми состояниями - триггер - логическое устройство, способное хранить 1 бит данных. Существует много разновидностей триггерных схем. Для переключения триггера могут использоваться: статический запуск уровнями напряжения, запуск положительным или отрицательным импульсом, а также запуск полным тактовым импульсом, когда используется его фронт и срез.

Диагностика электронных узлов и устройств

Схема RS-триггера, который содержит защелку (транзисторы VT1 и VT2), а также два раздельных статических входа управления, показана на рис. 78, а. Эти входы называют R (сброс) и S (установка). Поскольку на каждый вход можно подавать напряжение низкого (0) и высокого (1) уровней, то имеются четыре комбинации этих управляющих сигналов (рис. 78, в). Если подать на вход R и S напряжение низкого уровня (0), то транзисторы VT3 и VT4 не получат открывающих токов, будут разомкнуты и поэтому не смогут повлиять на состояние транзисторов защелки VT1 и VT2. Напряжения на выходах триггера Q и ˉQ останутся без изменения. Это значит, что в триггере осталась информация, записанная ранее.

Если на вход 5 подать 1, а на входе R оставить 0, то транзистор VT4 будет насыщен, замкнется и окажется с низким напряжением на коллекторе.

На выходе Q будет также напряжение низкого уровня. Транзистор VT1 больше не получит от выхода ˉQ открывающий базовый ток, поэтому он перейдет в состояние отсечки. По этой причине на выходе Q появится напряжение высокого уровня. Данное состояние транзисторов VT1 и VT2 будет зафиксировано.                         

Поменять напряжение на выходах Q и Q можно, если изменить напряжение на входах S и R (см. третью строчку на рис. 78, в). Наконец, возможно четвертое состояние, когда на обоих входах будет логическая единица 1. Такой входной сигнал RS-триггер зафиксировать не может. Таким образом, RS-триггер имеет два раздельных статических входа управления, чтобы можно было записать и хранить 1 бит информации. Установка триггера в исходное состояние 1 производится путем подачи отрицательного импульса на вход 5, для установки в 0 - на вход R.

С помощью RS-триггеров строят делители частоты, счетчика и регистры.

D-триггер, кроме входов S и R, имеет еще входы D (данные) и С (строб). При подаче на вход С положительного импульса триггер устанавливается в состояние, соответствующее состоянию 0 и 1, поданному в это время на вход D.

Для помехозащищенности УЧПУ его электрические цепи гальванически развязаны от электрических цепей станка. Для обмена информацией со станком применяют оптроны - комбинацию излучателя с определенным типом твердотельного фотоприемника в одном корпусе. Излучение светодиода проходит к фотоприемнику через прозрачную среду подобно пластмассовому световоду или же в некоторых видах корпусов через воздушный промежуток. Такое расположение компонентов позволяет иметь прибор, обеспечивающий оптическую связь сигналов двух раздельных электронных схем, несмотря на то, что последние гальванически развязаны.

На рис. 79 показан оптрон, где в первичной цепи, передающей информацию, располагается источник света - светодиод CD, а во вторичной - фототранзистор ФТ. Когда прямой ток ICD протекает через вход светодиода, его излучение попадает на светочувствительную базовую область транзистора и в нем генерируется фототок IФТ. Транзистор открывается, т. е. пропускает ток по цепи эмиттер - коллектор (Э-К).

Методы поэлементного диагностирования (тестирование) микросхем. При поэлементном диагностировании цифровых интегральных схем необходимо на вход контролируемого логического элемента подавать соответствующую последовательность тестовых наборов сигналов. При этом на тестовое воздействие не должны оказывать влияние сигналы, поступающие с выходов соседних микросхем. Длительность тестовых сигналов должна быть достаточно малой, чтобы не привести к тепловым повреждениям устройств.

Диагностика электронных узлов и устройств

В качестве примера диагностирования рассмотрим базовый элемент широко распространенной интегральной схемы серии К155, применяемой в УЧПУ (рис. 80, а). В микросхемах этой серии логический 0 представляется сигналом низкого уровня U0≤ 0,4 В, а логическая 1 - сигналом высокого уровня U1 ≥ 2,4 В.

Диагностика электронных узлов и устройств

Проверка ИМС осуществляется подачей тестовых наборов от генератора тестов через m контрольных штырей контрольного приспособления на входы ИМС. К выходу ИМС подключается еще один контрольный штырь, обеспечивающий съем выходного сигнала для последующего выходного сигнала и его сравнения с эталоном.

При подаче тестовых воздействий на входы проверяемого элемента в выходных каскадах связанных с ним элементов могут возникать следующие электрические режимы.

  1. На выход элемента, находящегося в состоянии 1, подается 0. Из рис. 80, б видно, что при UBblX = 0 Iвых = 30 мА, т. е. такой режим транзистор VT4 может выдержать не более 1 с.
  2. На выход, находящийся в состоянии 1, подается 1. Отсюда следует, что в этом режиме транзистор VT4 блокирован и на выход проходит незначительный ток.
  3. На выход элемента, находящегося в состоянии 0, подается 0. При этом переход база-коллектор транзистора VT5 смещается в прямом направлении и на выход протекает ток Iб = 1...3 мА.

Смотрите также