數控車床實訓安全智能管理設計與應用

劉衍益

（江蘇省無錫交通高等職業技術學校，江蘇無錫 214046）

0 引言

學校的實訓數控車床為生產型數控車床，未對設備進行專門研究與設計，安全防護系統不夠完善，實訓過程中安全事故頻發，對學生的人身安全和學校的財產安全構成威脅。分析數控車在實訓中存在的安全隱患問題。

1 安全隱患問題

（1）不遵守車間實訓安全制度，存在1 機多人操作問題。1機多人操作指甲同學在裝夾工作或測量工作尺寸，同時乙同學在系統面板上調試程序或修改刀具補償值。如果乙同學啟動主軸，后果將不堪設想。

（2）在切削加工過程中，將防護門打開，觀察加工過程。這種現象存在很大的安全隱患，若此時程序有誤發生撞機，很有可能導致工件或刀具飛出造成傷人事故。

（3）有時將借力桿使用后放在機床導軌上，在機床回參考點或退刀時，將尾座撞擊致掉落到地上，輕者損壞機床尾座，若此時尾座旁有學生，后果將不堪設想。

（4）在實訓過程中，將刀具或工件置于機床頂部，在加工過程中由于機床震動的影響，致使刀具或工作掉落在高速旋轉的主軸上，造成刀具或工件飛出傷人事故。

（5）一般情況下，在實訓車間，實訓教師為1 人，有時遇突發情況，實訓教師需暫時離開車間。此時，無法實時掌控實訓安全狀態。

以上5 種情況屬于突出的安全隱患，迫切急需解決。針對實訓安全隱患問題，通過加裝檢測元器件及智能控制裝置，解決以上實訓安全隱患，確保在實訓過程中學生的人身安全和學校的設備安全。

2 改裝方案設計與實施

根據在實訓教學過程中，存在突出的安全隱患問題，分別對防護門、尾座、卡盤扳手、機床頂面進行專門的設計與改裝，安裝智能檢測元件，并將檢測信號傳輸至智能控制模塊。由智能控制模塊自動判斷是否存在安全隱患問題。若發生安全隱患問題，智能控制模塊立即將信號傳送到FANUC I/O 端，促使機床停止工作。同時，智能控制模塊將安全隱患問題發送至實訓教師手機APP 上。

2.1 防護門安全設計

實訓過程中，個別同學在切削加工中打開防護門造成極大的實訓安全隱患問題。在防護門上增設信號采集器，當防護門處于完全關閉狀態時，信號采集器反饋信號至智能控制模塊，由智能控制模塊進行自動判斷，并控制機床的運行狀態。在切削加工過程中，若打開防護門，機床停止運行，防止意外事故的發生。

2.2 卡盤扳手智能防護裝置設計

每加工1 個零件，必須首先裝夾工件，等加工完成后拆卸工件。反復裝夾和拆卸工件，個別同學有時將卡盤扳手遺忘在主軸上，造成嚴重的安全隱患問題。專門設計卡盤扳手智能防護裝置，以杜絕卡盤扳手問題造成的實訓安全事故。

卡盤扳手智能防護裝置的殼體采用鋁合金成型板材制作，內置導套，觸點開關，觸點開關信號傳送至智能控制模塊。當卡盤扳手置于導套內時，觸點開關被壓下，主軸方可啟動。當卡盤扳手未置于導套內時，觸點開關未被壓下，處于開路狀態，觸點開關不能將有效信號傳輸至智能控制模塊，因此主軸無法啟動，避免卡盤扳手遺忘在主軸造成的安全隱患問題。

2.3 機床頂面智能檢測設計

有同學將工作或刀具置于機床頂部，造成實訓安全隱患。為解決這一安全隱患，在機床頂部安裝紅外智能檢測器。將智能檢測器的檢測信號傳送至智能控制模塊。當智能檢測器檢測到機床頂部存在雜物時，智能控制模塊控制機床運行狀態，同時將這一安全隱患問題傳送至實訓教師的手機APP 上，使實訓教師實時監控各臺機床的運行狀態。

2.4 機床尾座防護裝置設計

在實訓中，個別同學將借力桿使用后置于機床導軌上，拖板在后退過程中，極有可能將尾座撞落到地上，造成嚴重的安全事故。在機床床鞍的右側安裝TSW05-N 常開三線24 V 傳感器。將傳感器信號輸出端口連接到智能控制模塊的輸入端口。當尾座后退到極限位置后，尾座還存在移動現象，傳感器將檢測的信號傳輸至智能控制模塊，使機床立即停止移動，避免事故的發生。

2.5 遠程控制設計

在實訓教學過程中，只有1 名教師負責車間實訓工作。難免遇特殊情況臨時離開車間，此時就造成監管空白，極易發生安全事故，可能就此事故被調離教師崗位，因此非常有必要設計遠程控制開關。現各院校均已實現網絡全覆蓋，在每機床總開關上位安裝WIFI 遠程控制開關(100 A)。實訓教師可通過手機APP 對機床進行遠程控制管理。

3 智能控制模塊連線設計及工作原理分析

3.1 智能控制模塊連線設計

智能控制模塊通過采集所有終端輸入信號，經處理后輸出信號反饋到FANUC I/O 端來控制機床的運行狀態。接線見圖1。

圖1 智能控制流程

3.2 工作原理分析

在正常切削加工中，如某同學打開防護門，安裝在防護上的傳感器發出高電平將信號通過I1端口傳輸到智能控制模塊，智能控制模塊將異常情況發送到實訓教師的手機APP 上，同時智能控制模塊通過輸出端口O1，將異常信號傳輸到FANUC I/O端來控制機床的運行狀態。

在機床導軌上放置借力桿時，在退刀或回零過程中，使機床尾座超出極限時，安裝在床鞍右端的傳感器發出高電平，通過與智能控制模塊輸入端口的連接，當收到尾座異常信號時，智能控制模塊立即向實訓教師的手機APP 發送尾座I2信號異常，實訓教師可通過手機了解異常情況，同時也可以通過手機APP 進行控制機床。另外，智能控制模塊根據輸入端I2信號，將尾座異常信號通過輸出端口O2輸入到FANUC I/O 端來控制機床的運行狀態。

當機床頂部放置雜物時，設置在機床頂部紅外線放射端發出的線外線被物體遮擋后，接收端就無法接收到，因此接收端就產生信號通過端口I3傳輸至智能控制模塊，智能控制模塊將異常情況發送到實訓教師的手機APP 上，同時智能控制模塊通過輸出端口O3，將異常信號傳輸到FANUC I/O 端來控制機床的運行狀態。

當卡盤扳手置于專用的卡盤扳手裝置內，主軸可正常運行；當卡盤扳手未置于專用的卡盤扳手裝置內時，該裝置內的觸點開關處于斷開狀態，觸點開關信號線通過與智能控制模塊的輸入端口I4連接，智能控制模塊接收到斷開信號，智能控制模塊向實訓教師的手機APP 發送卡盤扳手的異常情況，同時智能控制模塊根據輸入端口I4卡盤扳手處于異常情況，通過輸出口O4與FANUC I/O 端連接控制主軸，此時主軸無法啟動。從而保證由于卡盤扳手遺忘在主軸上，啟動主軸造成的實訓安全事故。

一機多人操作是指甲同學在主軸上測量或拆卸工件，同學乙同學在機床面板上輸程序或修改刀具補償。此種行為極其危險，萬一啟動主軸，后果就不堪設想。因此在主軸附近設置一對紅外線對射裝置。當某同學在主軸處測量工件或拆卸工件時必定會擋住設置在主軸附近的紅外線，因此接收端就無法接收到發射的紅外線，接收端通過與智能控制模塊輸入端口I5連接，智能控制模塊接收到主軸附近有異常情況，智能控制模塊通過輸出端口O5與FANUC I/O 端連接，控制主軸無法啟動，從而避免由于一機多人操作引起的實訓安全事故。

4 結語

該系統具有結構簡單，推廣價值較高，而且成本也相當低廉，觸點開關，傳感器，紅外線對射裝置，智能控制模塊均可在電子市場采購。

因各中、高職院校采用的實訓數控車床均為生產型數控車床，操作對象為學生，根據實訓特點，學生具有操作熟練程度彽、部分同學安全意識淡薄，故實訓安全隱患突出。作者根據多年的實踐經驗，對實訓中存在安全隱患問題進行剖析，分別對防護門、尾座、卡盤扳手、一機多人操作等安全隱患問題進行改造和升級，加裝智能控制器件，一旦出現安全隱患問題，機床自動停止運行，實訓教師也是可通過手機APP 實現遠程控制，使數控實訓安全達到智能控制。實踐證明，經過改裝后，數控實訓安全得到很大的改善。