孫 瑩

(四川交通職業(yè)技術(shù)學院，四川 成都 611130)

車削加工占到機械加工的60%比重。由于普通車床無防護罩，高速旋轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)，以及初學者安全意識薄弱、操作不熟練和恐懼心理，很容易造成安全事故的發(fā)生。

車床操作過程中，初學者通常隱藏的非安全狀態(tài)有如下幾種:(1)卡盤扳手在主軸卡盤上忘記取下便開啟主軸，導致扳手飛出傷人。(2)刀架自動走刀靠近卡盤時，因緊張和經(jīng)驗不足，使得刀架與卡盤的實際間距作出錯誤判斷，導致刀架撞上高速旋轉(zhuǎn)的卡盤爪。(3)螺紋加工時，由于習慣性動作，誤操作開啟快速走刀，造成加工失誤。(4)小拖板正、反向走刀超過極限，導致絲杠螺母退出，造成設(shè)備損壞。

目前，普通車床操作技能訓練是各級院校機械類學生最重要的實訓項目之一，可各學校普遍存在學生多、教師有限的狀況，在這種情況下，車床操作中的潛在危險會導致教學管理難度相當大?？梢姡_發(fā)針對于普通車床群組(幾十臺)的安全保護集中控制顯得尤為重要。而且，就學校的現(xiàn)狀而言，普通車床的安全保護不僅要針對單臺車床，還要有利于管理者對現(xiàn)場多臺車床運行狀態(tài)的了解，更好地保證教學安全，集中控制應(yīng)該集安全保護、警示、集中控制和遠程操控功能于一體。其實，在許多大型制造企業(yè)中，為了提高設(shè)備群組的效率和管理質(zhì)量，同樣需要設(shè)備安全保護集中控制。

1 系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上對普通車床常見危險的描述，本系統(tǒng)針對單臺車床的安全保護功能的控制邏輯如表1 所示。在此，把刀架縱向移動到與卡盤間的臨界位置的安全保護設(shè)為Z-超限保護，小拖板正、反向走刀超過極限的保護設(shè)為X+超限保護和X-超限保護。

表1 本系統(tǒng)針對單臺車床的安全保護功能的控制邏輯

為了使車床使用管理更為靈活，方便有權(quán)限的熟練操作者獨立、隨時地使用車床，而不需要系統(tǒng)授權(quán)或監(jiān)管，因此，每臺車床規(guī)定有兩種工作模式，即受控于上位機統(tǒng)一管理和不受控于上位機統(tǒng)一管理(此方式需要具備使用權(quán)限)。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜合考慮控制權(quán)限、工作效率、控制速度和結(jié)構(gòu)的合理等問題，本系統(tǒng)采用上、下位機兩級控制方案。上位機對下位機的控制模式采用一對多點的控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由遠程控制、集中顯示模塊、控制模塊和檢測模塊4 部分組成?？刂颇K分上位機和下位機(單機)結(jié)構(gòu)。

上位機主要功能是人機交互、現(xiàn)場聯(lián)控車床的集中控制、車床工作狀態(tài)的集中顯示，以及遠程控制。上位機選用PC 機，配置帶USB 接口聯(lián)接的無線通信模塊，并串接一個25 英寸顯示屏。上位機利用無線通信方式與下位機進行信息傳輸，將下位機上傳的車床安全狀態(tài)集中顯示出來，同時，完成對現(xiàn)場聯(lián)控車床的使用狀態(tài)(開機、關(guān)機)進行集中管理。在有網(wǎng)絡(luò)通信的工作現(xiàn)場，管理者可在控制范圍的任何位置使用手機對聯(lián)控車床進行遠程監(jiān)管。

下位機的主要功能是對單臺車床的安全信息進行采集和處理、單臺車床安全保護控制、安全警示和信息上傳。針對車床的兩種工作模式，下位機設(shè)計有聯(lián)機工作方式和脫機工作方式兩種。聯(lián)機工作時下位機受上位機統(tǒng)一控制，脫機工作時下位機不受上位機監(jiān)管，車床可獨立開機，此時下位機只需完成本臺車床的安全保護功能。為此，下位機設(shè)置有工作權(quán)限管理。下位機主要由顯示部分(液晶顯示屏+LED 狀態(tài)顯示)、單片機系統(tǒng)、矩陣鍵盤和串口聯(lián)接的無線通信模塊等部分組成。單片機采用Atmel 公司的AT89C51 系列單片機。

系統(tǒng)的檢測模塊主要是對受控車床的加工過程中的非安全信息進行實時采集、處理和傳輸。

1.2 上、下位機通信模式

為了減少車間現(xiàn)場的布線，簡化接口電路，上、下位機之間的信息傳送采用無線通信。本系統(tǒng)選用成都澤耀科技有限公司開發(fā)的工業(yè)級AS13-TTL 無線串口收發(fā)模塊。AS13-TTL 無線串口模塊為TTL 電平輸出，兼容3.3 V 與5 V 的IO 口電壓。模塊采用Silicon 最新的SI4463 主芯片，設(shè)計工業(yè)用頻段425～450 MHz，共計256 個信道，每個信道間隔0.1 MHz，傳輸距離達2000 m?？捎缮衔粰C配置模塊信道、發(fā)射功率、ID 號、AUX 指示狀態(tài)等。AS13-TTL 無線串口模塊與下位機的串口直接聯(lián)接，與上位機(PC 機)的聯(lián)接需增加1 個配套的USB 轉(zhuǎn)接板。經(jīng)測試，AS13-TTL 模塊信號傳輸準確、速度快，且抗干擾能力強，完全適合用于車床工業(yè)現(xiàn)場。

1.3 遠程控制

本系統(tǒng)的遠程控制是利用手機，通過網(wǎng)絡(luò)(如WiFi、3G、GPRS 等)，對上位機進行操作，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場車床操控的模式。手機遠程控制需在手機(主控端)與上位機(被控端)分別安裝遠程控制軟件，這樣，手機屏上將同步顯示被控電腦操作界面，管理者通過操作手機便可在任何時間，任何地點，觀察和操控現(xiàn)場車床。類似于這類手機遠程控制的軟件很多，如深圳市云舒網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司研發(fā)的GoToMyCloud 遠程控制軟件，由主控端模塊和被控端模塊兩部分組成。在被控電腦上安裝GoToMyCloud 被控端，手機上安裝GoToMyCloud 主控端即可。GoToMyCloud 軟件支持多種分辨率、多種操作系統(tǒng)(Win7、Winxp、Win2008、Vista、Win2003)的被控電腦，其遠程控制快速、便捷、可靠性高。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在一對多點的控制模式下，上位機和下位機之間的通信設(shè)計為主從式關(guān)系。上位機視為主站，只有上位機能發(fā)出請求;下位機視為從站，被動地響應(yīng)請求，從站之間不能收發(fā)信息。這樣，系統(tǒng)的控制關(guān)系為:下位機上電，在選擇了工作模式后，等待上位機發(fā)出請求，準備向上位機發(fā)送信號;上位機開機后，首先向下位機發(fā)出請求，收到請求后，已上電的下位機便向上位機發(fā)送“工作模式+就緒”信號。上位機經(jīng)判斷下位機“工作模式”信號后，對申請聯(lián)機工作模式，并準備就緒，且管理員允許開機的下位機一一發(fā)出開機命令，聯(lián)機工作的下位機收到上位機的開機命令后，便進入安全保證工作狀態(tài)。

2.1 上位機軟件

上位機軟件是基于Windows 平臺上開發(fā)的，應(yīng)用VC++語言，采用MFC 框架實現(xiàn)人機界面的生成，對I/O 端口和物理內(nèi)存的32 位數(shù)據(jù)交換，以及實時性要求較高的機床控制功能。其主要功能是現(xiàn)場聯(lián)控車床的集中控制，以及各車床安全工作狀態(tài)的集中顯示。上位機對單臺下位機的控制流程如圖2 所示。

2.2 下位機軟件

下位機為單片機控制系統(tǒng)，具有聯(lián)機工作和脫機工作兩種方式。下位機設(shè)置有管理員權(quán)限，通過管理員密碼進行工作方式的選擇。在聯(lián)機工作方式下，下位機從屬于上位機。當下位機進入正常工作狀態(tài)后，在本臺車床無安全隱患的情況下，接通車床主軸電動機和快速進給電動機電源，車床進入正常工作狀態(tài)。若檢測到非安全信號，下位機一方面切斷主軸電動機或快速進給電動機電源，在本機上顯示非安全信號，以警示操作者，另一方面，上傳非安全信號至上位機，上位機在集中顯示屏上顯示聯(lián)機車床的工作狀態(tài)，供管理者有效監(jiān)管。下位機軟件流程如圖3 所示。

3 車床安全狀態(tài)的檢測

3.1 卡盤扳手的狀態(tài)檢測

車床正常工作的條件是卡盤扳手必須從卡盤上取下。卡盤扳手正常取下的信號獲取是利用在機床主軸箱面板的左側(cè)，安裝一個帶檢測元件的卡盤扳手套的方式。若本車床扳手從卡盤上取下，并插入對應(yīng)的扳手套中，檢測元件便產(chǎn)生“扳手取下”信號，此時，下位機接通車床主軸電動機的電源，主軸電動機允許啟動?？紤]到生產(chǎn)現(xiàn)場人多手雜，在“扳手取下”信息檢測方案上做到了卡盤搬手與本車床的一一對應(yīng)關(guān)系，即如果誤將其他車床的卡盤搬手插入本車床的搬手套中，不會產(chǎn)生“搬手取下”信號，主軸是無法開啟的。

3.2 絲杠、開合螺母狀態(tài)的檢測

車床加工螺紋時，光杠、絲杠檔位手柄應(yīng)打在5、6、7、8 檔上，開合螺母合上，刀架由絲杠帶動，此時，不允許開啟快速走刀。本系統(tǒng)對光杠絲杠檔位柄的位置檢測采用了一種簡單、可靠的方案，如圖4 所示，在檔位手柄的外圓柱面貼上一段軟磁條，箱體對應(yīng)位置上安裝磁性開關(guān)，當軟磁條與磁性開關(guān)處于正對位置關(guān)系(即手柄在5、6、7、8 檔位)時，磁性開關(guān)便產(chǎn)生“絲杠工作”信號?！伴_合螺母合上”信號同樣采用磁性開關(guān)檢測的方案。下位機在同時收到“絲杠工作”和“開合螺母合上”兩個信號時，將切斷快速電動機的電源，快速進給被禁止。

3.3 Z+、X+、X-極限狀態(tài)的檢測

機床限位控制需要準確、及時、可靠性高。但環(huán)境較差的切削加工，由于切屑和切削液的原因，常常導致機械式行程開關(guān)被腐蝕和卡死，導致控制失靈。為此，本系統(tǒng)對大、小拖板行程位置的檢測采用了電磁檢測原理，此方法不僅能保證信號采集的可靠性，同時，延長了檢測元件的使用壽命。

4 原車床電路的改進

為了配合本系統(tǒng)的控制功能，需要對原車床控制電路進行適當?shù)母脑欤饕倪x有兩個方面:

(1)普通車床的主軸和刀架快進由兩名電動機獨立控制。為此，在普通車床配電箱中增設(shè)一個繼電器控制板，繼電器受控于下位機，同時控制兩名電動機的接觸器控制回路，從而實現(xiàn)兩名電動機的控制。繼電器板上還設(shè)計有下位機電源電路，此電源接在機床總電源開關(guān)之后。機床總電源合上，下位機上電，但機床主軸和快進電動機控制回路并未接通，此時受控于上位機(聯(lián)機工作)或下位機(脫機工作)。

(2)在Z-超限保護方案中，設(shè)計主軸和快進電動機同時停止，由于普通車床主軸電動機無制動控制電路，為保證Z-超限時主軸電動機能立即停止，本系統(tǒng)在原車床主軸電動機控制電路中增設(shè)反接制動電路，通過延時反向制動控制原理，實現(xiàn)了主軸的急停。

5 結(jié)語

普通車床安全保護集成控制系統(tǒng)通過在普通車床上安裝檢測元件，由計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對單臺車床的安全保護。同時，將無線通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引用于機床安全保護控制中，使管理者能對聯(lián)控設(shè)備群組進行集中管理和遠程控制，方便了管理者對現(xiàn)場的有效監(jiān)管，提高了管理效率和質(zhì)量。經(jīng)測試，本系統(tǒng)可對1000～1500 m2范圍內(nèi)的30～40 臺車床群組實現(xiàn)有效的集中管理，其安全保護功能可靠、靈活，在各級學校的實習工廠和大型制造企業(yè)中都具有廣泛的應(yīng)用前景。

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