一種普通車床的自動安全保護裝置的設計

萬錚， 孫瑩

（四川交通職業技術學院，成都 611130）

0 引言

車削加工占到機械加工的60%比重。由于普通車床無防護罩，無自動安全保護功能，在高速旋轉的工作狀態下，對于安全意識薄弱、操作不熟練和具有恐懼心理的初學者，很容易發生安全事故。

車床操作過程中，對于初學者通常隱藏的非安全狀態有如下幾種：一是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；二是刀架自動走刀靠近卡盤時，因緊張和經驗不足，使得對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的卡盤爪；三是在螺紋加工時，由于習慣性動作，誤操作開啟快速走刀，造成加工失誤；四是小拖板正、反向走刀超過極限，導致絲杠螺母退出，造成設備損壞。

為此，開發針對于普通車床的自動安全保護裝置就顯得尤為重要。

1 控制裝置的功能與結構

1.1 控制裝置的功能

根據以上對普通車床常見危險的描述，本裝置的安全保護功能為：1）卡盤扳手在主軸卡盤上未取下，機床主軸起動被禁止；2）刀架縱向自動走刀靠近卡盤或尾座時，若超過設定的極限，車床快速自動走刀立即停止；3）在螺紋加工時，車床快速自動走刀被禁止；4）小拖板橫向進、退自動走刀時，若超過設定的極限，車床快速自動走刀立即停止。

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

針對以上安全保護功能的控制邏輯如表1所示。

表1

1.2 控制裝置的總體結構

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

整個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系統；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狀態顯示）、單片機系統、I/O接口等組成。單片機采用Atmel公司的AT89C51系列單片機。

2 軟件設計

顯示控制模塊為單片機控制系統。當車床強電接通后，顯示控制模塊通電進入工作狀態。此時，采集和分析車床相應部件的工作狀態信息，在車床無安全隱患的情況下，接通車床主軸電機和快速進給電機電源。車床進入正常工作狀態。此后顯示控制裝置仍時實采集車床工作狀態，若檢測到非安全信號，控制裝置將切斷主軸電機或快速進給電機電源，并顯示出非安全信號的類型，以警示操作者。顯示控制模塊的軟件流程如圖1所示。

圖1 下位機軟件流程圖

3 車床安全狀態的檢測

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

3.1 卡盤扳手的狀態檢測

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，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，并插入對應的扳手套中，檢測元件便產生“扳手取下”信號，此時，下位機接通車床主軸電機的電源，主軸電機允許啟動。考慮到生產現場人多手雜，在“扳手取下”信息檢測方案上做到了卡盤扳手與本車床的一一對應關系，即如果誤將其他車床的卡盤扳手插入本車床的扳手套中，不會產生“扳手取下”信號，主軸是無法開啟的。

3.2 絲杠工作狀態的檢測

車床的螺紋加工狀態，是通過光杠、絲杠檔位手柄的位置檢測來判斷的。車床加工螺紋時，光杠、絲杠檔位手柄應打在5、6、7、8檔上，開合螺母合上，刀架由絲杠帶動。此時，不允許開啟快速自動走刀。本系統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2所示，在檔位手柄的外圓柱面貼上一段軟磁條，箱體對應位置上安裝磁性開關，當軟磁條與磁性開關處于正對位置關系（即手柄在5、6、7、8檔位）時，磁性開關便產生“絲杠工作”信號。顯示控制裝置在檢測到“絲杠工作”信號時，將切斷快速進給電機的電源，快速自動走刀被禁止。

圖2 絲杠狀態檢測

3.3 Z+、X+、X- 極限狀態的檢測

機床限位控制需要準確、及時，可靠性高。但環境較差的切削加工，由于切屑和切削液的原因，常常導致機械式行程開關被腐蝕和卡死，導致控制失靈，為此，本系統對大、小拖板的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 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、接收在線檢測信號、輸入控制信號。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由2個電機獨立控制。電氣控制模塊中的2個繼電器電路接至2個電機的接觸器回路。當繼電器接收到顯示控制模塊的控制信號后，將對2個電機的接觸器回路進行相應的接通與斷開的控制，從而實現了電機的自動控制。

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

5 結 論

基于現代機械設備向更人性化、更智能化方向發展的要求，普通車床上安全保護裝置實現了車床的安全自動保護，推進了傳統機械設備的技術革新，改變了傳統機械設備操作危險、功能單一的現狀。它在各級學校的實習工廠和大型制造企業中都具有廣泛的應用前景。

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