萬(wàn)錚， 孫瑩

（四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 611130）

0 引言

車削加工占到機(jī)械加工的60%比重。由于普通車床無(wú)防護(hù)罩，無(wú)自動(dòng)安全保護(hù)功能，在高速旋轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)下，對(duì)于安全意識(shí)薄弱、操作不熟練和具有恐懼心理的初學(xué)者，很容易發(fā)生安全事故。

車床操作過(guò)程中，對(duì)于初學(xué)者通常隱藏的非安全狀態(tài)有如下幾種：一是卡盤扳手在主軸卡盤上忘記取下，便開(kāi)啟主軸，導(dǎo)致扳手飛出傷人；二是刀架自動(dòng)走刀靠近卡盤時(shí)，因緊張和經(jīng)驗(yàn)不足，使得對(duì)刀架與卡盤的實(shí)際間距作出錯(cuò)誤判斷，導(dǎo)致刀架撞上高速旋轉(zhuǎn)的卡盤爪；三是在螺紋加工時(shí)，由于習(xí)慣性動(dòng)作，誤操作開(kāi)啟快速走刀，造成加工失誤；四是小拖板正、反向走刀超過(guò)極限，導(dǎo)致絲杠螺母退出，造成設(shè)備損壞。

為此，開(kāi)發(fā)針對(duì)于普通車床的自動(dòng)安全保護(hù)裝置就顯得尤為重要。

1 控制裝置的功能與結(jié)構(gòu)

1.1 控制裝置的功能

根據(jù)以上對(duì)普通車床常見(jiàn)危險(xiǎn)的描述，本裝置的安全保護(hù)功能為：1）卡盤扳手在主軸卡盤上未取下，機(jī)床主軸起動(dòng)被禁止；2）刀架縱向自動(dòng)走刀靠近卡盤或尾座時(shí)，若超過(guò)設(shè)定的極限，車床快速自動(dòng)走刀立即停止；3）在螺紋加工時(shí)，車床快速自動(dòng)走刀被禁止；4）小拖板橫向進(jìn)、退自動(dòng)走刀時(shí)，若超過(guò)設(shè)定的極限，車床快速自動(dòng)走刀立即停止。

為此作如下定義：Z-超限保護(hù)為刀架向卡盤方向縱向自動(dòng)走刀至設(shè)定的極限位置的保護(hù)；Z+超限保護(hù)為刀架向尾座方向縱向自動(dòng)走刀至設(shè)定的極限位置的保護(hù)；X+超限保護(hù)為小拖板橫向遠(yuǎn)離工件自動(dòng)走刀至設(shè)定的極限位置的保護(hù)；X－超限保護(hù)為小拖板橫向接近工件自動(dòng)走刀至設(shè)定的極限位置的保護(hù)。

針對(duì)以上安全保護(hù)功能的控制邏輯如表1所示。

表1

1.2 控制裝置的總體結(jié)構(gòu)

控制裝置的主要功能是對(duì)車床的安全信息進(jìn)行采集、處理和判斷，并做出正確的控制決定。同時(shí)，考慮到裝置能將非安全狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，起到提醒操作者的作用。

整個(gè)控制裝置由三部分組成：一是顯示控制模塊，安裝在車床主軸箱上表面；二是安裝于車床各部件上的檢測(cè)系統(tǒng)；三是安裝于車床電氣控制箱的電氣控制模塊。

顯示控制模塊主要由顯示部分（液晶顯示屏+LED狀態(tài)顯示）、單片機(jī)系統(tǒng)、I/O接口等組成。單片機(jī)采用Atmel公司的AT89C51系列單片機(jī)。

2 軟件設(shè)計(jì)

顯示控制模塊為單片機(jī)控制系統(tǒng)。當(dāng)車床強(qiáng)電接通后，顯示控制模塊通電進(jìn)入工作狀態(tài)。此時(shí)，采集和分析車床相應(yīng)部件的工作狀態(tài)信息，在車床無(wú)安全隱患的情況下，接通車床主軸電機(jī)和快速進(jìn)給電機(jī)電源。車床進(jìn)入正常工作狀態(tài)。此后顯示控制裝置仍時(shí)實(shí)采集車床工作狀態(tài)，若檢測(cè)到非安全信號(hào)，控制裝置將切斷主軸電機(jī)或快速進(jìn)給電機(jī)電源，并顯示出非安全信號(hào)的類型，以警示操作者。顯示控制模塊的軟件流程如圖1所示。

圖1 下位機(jī)軟件流程圖

3 車床安全狀態(tài)的檢測(cè)

控制裝置的檢測(cè)系統(tǒng)主要功能是完成以上6個(gè)工作狀態(tài)的檢測(cè)，分別是卡盤扳手狀態(tài)、絲杠工作狀態(tài)、刀架縱向兩個(gè)極限狀態(tài)（Z+超限、Z-超限）和橫向（X+超限、X-超限）兩個(gè)極限狀態(tài)。本裝置采用各個(gè)檢測(cè)方案如下：

3.1 卡盤扳手的狀態(tài)檢測(cè)

車床正常工作的條件是卡盤扳手必須從卡盤上取下?？ūP扳手正常取下的信號(hào)獲取是利用在機(jī)床主軸箱面板的左側(cè)，安裝一個(gè)帶檢測(cè)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(duì)應(yīng)的扳手套中，檢測(cè)元件便產(chǎn)生“扳手取下”信號(hào)，此時(shí)，下位機(jī)接通車床主軸電機(jī)的電源，主軸電機(jī)允許啟動(dòng)。考慮到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人多手雜，在“扳手取下”信息檢測(cè)方案上做到了卡盤扳手與本車床的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即如果誤將其他車床的卡盤扳手插入本車床的扳手套中，不會(huì)產(chǎn)生“扳手取下”信號(hào)，主軸是無(wú)法開(kāi)啟的。

3.2 絲杠工作狀態(tài)的檢測(cè)

車床的螺紋加工狀態(tài)，是通過(guò)光杠、絲杠檔位手柄的位置檢測(cè)來(lái)判斷的。車床加工螺紋時(shí)，光杠、絲杠檔位手柄應(yīng)打在5、6、7、8檔上，開(kāi)合螺母合上，刀架由絲杠帶動(dòng)。此時(shí)，不允許開(kāi)啟快速自動(dòng)走刀。本系統(tǒng)對(duì)光杠絲杠檔位柄的位置檢測(cè)采用了一種簡(jiǎn)單、可靠的方案，如圖2所示，在檔位手柄的外圓柱面貼上一段軟磁條，箱體對(duì)應(yīng)位置上安裝磁性開(kāi)關(guān)，當(dāng)軟磁條與磁性開(kāi)關(guān)處于正對(duì)位置關(guān)系（即手柄在5、6、7、8檔位）時(shí)，磁性開(kāi)關(guān)便產(chǎn)生“絲杠工作”信號(hào)。顯示控制裝置在檢測(cè)到“絲杠工作”信號(hào)時(shí)，將切斷快速進(jìn)給電機(jī)的電源，快速自動(dòng)走刀被禁止。

圖2 絲杠狀態(tài)檢測(cè)

3.3 Z+、X+、X- 極限狀態(tài)的檢測(cè)

機(jī)床限位控制需要準(zhǔn)確、及時(shí)，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(dǎo)致機(jī)械式行程開(kāi)關(guān)被腐蝕和卡死，導(dǎo)致控制失靈，為此，本系統(tǒng)對(duì)大、小拖板的行程位置的檢測(cè)采用了電磁檢測(cè)原理，此方法不僅能保證信號(hào)采集的可靠性。同時(shí)，延長(zhǎng)了檢測(cè)元件的使用壽命。

4 車床上電氣控制模塊

控制裝置的電氣控制模塊的主要功能是提供顯示控制模塊的電源、接收在線檢測(cè)信號(hào)、輸入控制信號(hào)。因此，此模塊由電源、繼電器電路和I/O接口組成。

普通車床的主軸和刀架快進(jìn)由2個(gè)電機(jī)獨(dú)立控制。電氣控制模塊中的2個(gè)繼電器電路接至2個(gè)電機(jī)的接觸器回路。當(dāng)繼電器接收到顯示控制模塊的控制信號(hào)后，將對(duì)2個(gè)電機(jī)的接觸器回路進(jìn)行相應(yīng)的接通與斷開(kāi)的控制，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的自動(dòng)控制。

在Z-超限保護(hù)方案中，設(shè)計(jì)主軸和快進(jìn)電機(jī)同時(shí)停止，由于普通車床主軸電機(jī)無(wú)制動(dòng)控制電路，為保證Z-超限時(shí)主軸電機(jī)能立即停止，本系統(tǒng)在原車床主軸電機(jī)控制電路中增設(shè)反接制動(dòng)電路，通過(guò)延時(shí)反向制動(dòng)控制原理，實(shí)現(xiàn)了主軸的急停。

5 結(jié) 論

基于現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備向更人性化、更智能化方向發(fā)展的要求，普通車床上安全保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)了車床的安全自動(dòng)保護(hù)，推進(jìn)了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的技術(shù)革新，改變了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備操作危險(xiǎn)、功能單一的現(xiàn)狀。它在各級(jí)學(xué)校的實(shí)習(xí)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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