基于主軸電流信號(hào)的防碰撞功能的研究

張本松，陳曉雨，謝志超，柯 珂，廖德偉，曾 磊

(1.宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與汽車工程系，宣城 242000; 2.寧波慈興軸承有限公司，寧波 315301)

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的加工效率、質(zhì)量和安全性都提出了更高的要求，在傳統(tǒng)的磨削加工過程中，一線操作人員有時(shí)不按照操作規(guī)范進(jìn)行操作，或磨床系統(tǒng)出現(xiàn)程序規(guī)程，就會(huì)導(dǎo)致砂輪與磨床其它零部件或工件發(fā)生碰撞，輕則機(jī)床受損，重則會(huì)造成人員傷害，這種事故是難以預(yù)測的[1]。本文以某公司軸承套圈生產(chǎn)線為例，在不改變機(jī)床任何結(jié)構(gòu)的情況下加裝了防碰撞智能控制系統(tǒng)，可以使磨床在加工過程中異常料及時(shí)排出，有效地避免磨削加工過程中發(fā)生異常碰撞，對(duì)機(jī)床和操作人員都起到了很好的保護(hù)作用。

1 防碰撞智能控制系統(tǒng)的原理

防碰撞智能控制系統(tǒng)具有機(jī)床實(shí)時(shí)防碰撞監(jiān)控作用，可以有效地避免機(jī)床在加工過程中發(fā)生碰撞[2]。目前在普通磨床上進(jìn)行軸承套圈磨削加工時(shí)，為保證生產(chǎn)安全，磨床砂輪磨削加工分為三個(gè)階段：首先以快速進(jìn)給的方式到達(dá)機(jī)床設(shè)定的安全位置，其次以中等的空程進(jìn)給速度到達(dá)機(jī)床設(shè)定的加工位置，最后以最慢的磨削加工速度完成軸承套圈的磨削加工(如圖1)。往往在磨削加工過程中設(shè)定的安全位置和加工位置隨意性比較大，與實(shí)際的加工距離存在一定偏差；在磨削加工第一階段和第二階段是完全依靠技術(shù)工人的技能水平，極容易發(fā)生砂輪與機(jī)床其它部件碰撞[3]。

圖1 磨削加工示意圖 圖2 防碰撞智能控制系統(tǒng)

防碰撞智能控制系統(tǒng)由一個(gè)直流24V電源航空插頭、三個(gè)輸入信號(hào)航空插頭、三個(gè)輸出信號(hào)航空插頭、智能控制器IMC、數(shù)控系統(tǒng)和聲光報(bào)警器(如圖2)組成。三個(gè)輸入信號(hào)是利用電流傳感器和功率傳感器檢測磨床主軸電機(jī)信號(hào)，將檢測到的信號(hào)通過航空插頭輸入到智能控制器IMC，智能控制器IMC負(fù)責(zé)分析和處理接收的信號(hào)，并于數(shù)控系統(tǒng)和PLC進(jìn)行通訊，控制磨床砂輪的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，根據(jù)數(shù)控機(jī)床發(fā)出的不同信號(hào)，聲光報(bào)警發(fā)出不同的報(bào)警信號(hào)。

在磨削加工過程中，在大多數(shù)情況下加工負(fù)載都屬于正常變化范圍，當(dāng)磨削砂輪與工件或機(jī)床其它零部件發(fā)生接觸時(shí)，負(fù)載信號(hào)會(huì)發(fā)生明顯的變化，機(jī)床主軸磨削力也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。

防碰撞智能控制系統(tǒng)根據(jù)機(jī)床設(shè)定的信號(hào)值與采集到的主軸電機(jī)信號(hào)值進(jìn)行比較判斷機(jī)床是否處于正常磨削狀態(tài)，并根據(jù)判斷的信號(hào)結(jié)果，對(duì)機(jī)床發(fā)出不同的動(dòng)作指令，滿足磨削加工工藝要求。

防碰撞智能控制系統(tǒng)以電流傳感器和功率傳感器為檢測元件，檢測到磨床主軸信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大、分離后，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換，利用光纜將處理好的結(jié)果輸入到人機(jī)交互系統(tǒng)ARM處理器中進(jìn)行處理，再通過觸摸屏顯示傳感器檢測信號(hào)的觸發(fā)功率頻域圖，當(dāng)觸發(fā)功率超出設(shè)定的碰撞閾值時(shí)(如圖3)，數(shù)控系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警，聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警，智能控制器IMC就會(huì)向機(jī)床發(fā)出緊急停止指令，機(jī)床進(jìn)行進(jìn)給回撤，同時(shí)向觸摸屏發(fā)出顯示指令，提示一線操作人員機(jī)床發(fā)生碰撞，要求其及時(shí)處理，復(fù)位機(jī)床重新啟動(dòng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 防碰撞閾值設(shè)定 圖4 防碰撞智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 防碰撞智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用

以日升3MK1412BG磨床對(duì)QJ4583.8/8軸承套圈外溝進(jìn)行粗磨加工，使用普通剛玉砂輪進(jìn)行磨削加工。在人機(jī)交互系統(tǒng)主界面主要包括曲線顯示和縮放功能、基礎(chǔ)功率設(shè)定和校正共能、機(jī)床磨削加工實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和查看功能、機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)顯示功能等四大功能[4](如圖5所示)。

基礎(chǔ)功率一般為磨床砂輪空轉(zhuǎn)時(shí)的功率，觸發(fā)功率在設(shè)定時(shí)需要大于磨床砂輪空轉(zhuǎn)時(shí)的極限功率，但是不宜過大，當(dāng)磨床主軸砂輪與套圈接觸時(shí)超出觸發(fā)功率時(shí)，機(jī)床會(huì)由快速進(jìn)給狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟ハ骷庸顟B(tài)(如圖6所示)，設(shè)定基礎(chǔ)功率是為了得到觸發(fā)功率，此時(shí)觸發(fā)功率如式(1)所示。

W=W1×(1+W2)

(1)

其中：W表示觸發(fā)功率；W1表示基礎(chǔ)功率；W2表示觸發(fā)功率百分比，一般在0～100之間。

圖5 人機(jī)交互系統(tǒng)主界面 圖6 磨削加工觸發(fā)狀態(tài)

在人機(jī)交互系統(tǒng)主界面“基礎(chǔ)功率”設(shè)置修正有兩種模式：自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。自動(dòng)模式設(shè)定即首先開啟磨床，保持主軸砂輪保持空轉(zhuǎn)狀態(tài)，其次點(diǎn)擊“自動(dòng)”按鈕等待5 s即可確認(rèn)當(dāng)前速度，如圖7所示；手動(dòng)模式設(shè)定即直接在“手動(dòng)”按鈕下方空白處填入相應(yīng)的數(shù)值，如圖5所示。通過對(duì)基礎(chǔ)功率設(shè)定后，需在“系統(tǒng)配置”界面設(shè)定極限功率，極限功率是在保證該數(shù)值大于磨床在正常加工中主軸負(fù)載的最大值，不超過主軸負(fù)載最大值的150%，一般設(shè)定在120%即可；“觸發(fā)方式”一般設(shè)定為“低電平”觸發(fā)，如圖8所示。

圖7 自動(dòng)模式設(shè)定界面 圖8 系統(tǒng)配置界面

為驗(yàn)證防碰撞智能控制系統(tǒng)的使用效果，在磨床上下料的機(jī)構(gòu)接入防碰撞智能控制系統(tǒng)I/O處，觸發(fā)方式為24V低電平觸發(fā)，當(dāng)砂輪與套圈在磨削過程中發(fā)生碰撞，傳感器就會(huì)向機(jī)床發(fā)出信號(hào)，上下料的擋料擋料氣缸會(huì)立即動(dòng)作，通道打開，該料圈落入下方的紅色警示料盒，機(jī)床同時(shí)發(fā)出紅色停機(jī)報(bào)警，待一線操作人員確認(rèn)磨床砂輪位置后，按循環(huán)啟動(dòng)按鈕后擋料自動(dòng)復(fù)位，機(jī)床重新啟動(dòng)，其過程防碰撞智能控制系統(tǒng)反應(yīng)迅速，及時(shí)停止機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)和機(jī)床主軸砂輪機(jī)構(gòu)，保證了機(jī)床的安全。

3 總 結(jié)

通過對(duì)某公司軸承套圈生產(chǎn)線磨加工設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，利用傳感器檢測電流信號(hào)的變化，通過防碰撞智能控制系統(tǒng)的分析與處理，判斷機(jī)床是否處于磨削加工狀態(tài)，當(dāng)采集到信號(hào)值超出機(jī)床設(shè)定的信號(hào)，機(jī)床就會(huì)發(fā)出紅色報(bào)警信息，同時(shí)防碰撞智能控制系統(tǒng)向基層系統(tǒng)發(fā)出機(jī)床停止信號(hào)，機(jī)床系統(tǒng)就通過PLC控制機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，有效地防止砂輪與機(jī)床其它部件或工件發(fā)生碰撞，提高了機(jī)床的安全性和生產(chǎn)效率，降低了機(jī)床的改造成本，防碰撞智能控制系統(tǒng)將被大多數(shù)企業(yè)采納和應(yīng)用。