一種銑床安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造

莊文 肖敏 蔣軒航

關(guān)鍵詞：銑床;撞刀;測(cè)距技術(shù);電子安全系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH122 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

在“智能制造2025”政策的號(hào)召下，越來越多的工科類院校都開展了工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)課程，銑削是學(xué)生工程訓(xùn)練金工實(shí)習(xí)必須掌握的基礎(chǔ)技能。對(duì)于規(guī)?；慕鸸?shí)習(xí)，實(shí)習(xí)周期短，教學(xué)任務(wù)重，學(xué)生人數(shù)多，大多數(shù)學(xué)生第一次接觸到機(jī)械加工設(shè)備，還沒有形成良好的安全操作意識(shí)和使用規(guī)范，經(jīng)常由于操作失誤或者不規(guī)范，發(fā)生撞刀事故。撞刀事故不僅影響機(jī)床精度還危及人身安全。因此，有效阻止撞刀事故的發(fā)生，一直是數(shù)控機(jī)床技術(shù)人員重點(diǎn)思考的問題。

銑床撞刀事故是指銑床在進(jìn)給過程中，銑床上的刀具或刀柄與工件或者機(jī)床其他部件發(fā)生碰撞。目前，銑床加工過程中的防撞刀措施主要是通過操作者人工控制。能否確保銑床使用安全，完全需要通過熟練操作者來加以控制。

針對(duì)目前現(xiàn)存技術(shù)的不足，本文擬對(duì)銑床安裝一套電子安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以有效阻止銑刀與工件間的碰撞，當(dāng)檢測(cè)到刀具與工件距離在警戒范圍內(nèi)，且刀具朝工件快速移動(dòng)時(shí)，判定為即將發(fā)生撞刀事故，此時(shí)電子安全系統(tǒng)會(huì)阻止銑床繼續(xù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，可避免撞刀事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)防、防患于未然，對(duì)于維護(hù)機(jī)床的精度和實(shí)訓(xùn)人員的安全具有重要意義。該系統(tǒng)具有高安全性、高精度、應(yīng)用范圍廣、低成本等優(yōu)勢(shì)，且設(shè)有自動(dòng)檢測(cè)程序，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

1撞刀的主要原因

普通銑床都已添加限位開關(guān)，從而防止銑床在切削過程中出現(xiàn)超程的撞刀事故。但在實(shí)際切削加工情況下，由于工件尺寸及位置不同，限位開關(guān)無法有效保證設(shè)備安全。操作人員操作不當(dāng)撞刀問題仍無法避免。

1.1工件與刀具安裝

工件的定位裝夾、裝夾不牢是實(shí)訓(xùn)中學(xué)生容易出現(xiàn)的問題，工件夾緊力不夠會(huì)使工件在加工過程中震動(dòng)、翻轉(zhuǎn)甚至掉落;刀具夾緊力不夠會(huì)使刀具在加工過程中松動(dòng)或掉落。

1.2操作不當(dāng)

學(xué)生在銑削過程中，需要使用快速進(jìn)給，提高加工效率。當(dāng)?shù)毒呖炫c工件接觸時(shí)，沒有及時(shí)停止快速進(jìn)給，導(dǎo)致刀具與工件發(fā)生碰撞。在深槽切割或切斷時(shí)，進(jìn)給速度過快、沒有設(shè)置合理的退刀槽及排屑不順都會(huì)導(dǎo)致刀具擠壓變形或斷裂。

2安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)以上銑床撞刀原因分析，提出設(shè)計(jì)一種銑床電子安全系統(tǒng)的思路。該系統(tǒng)主要由STM32單片機(jī)控制模塊、測(cè)距模塊、銑床運(yùn)轉(zhuǎn)模塊和電源模塊四部分構(gòu)成。其中單片機(jī)的型號(hào)為STM32F103RCT6，測(cè)距模塊主要為激光測(cè)距傳感器，用單片機(jī)控制激光測(cè)距傳感器，可

用來構(gòu)成安全系統(tǒng)，既能測(cè)量刀具與工件間的距離，又能判斷刀具與工件的相對(duì)位置。

在銑床的床身上安裝測(cè)距傳感器，銑床快速進(jìn)給過程中，根據(jù)刀具與工件的距離實(shí)時(shí)反饋給單片機(jī)，再發(fā)送給系統(tǒng)，測(cè)距傳感器可將信息傳輸給銑床的顯示屏上。

3 主要模塊的介紹

3.1 STM32單片機(jī)控制模塊

STM32單片機(jī)是一種微型控制器，是電子安全系統(tǒng)的核心部分，它控制安全系統(tǒng)的基本功能設(shè)定和數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、分析及狀態(tài)信息的傳輸通信、輸出、顯示等功能。該系統(tǒng)選用STM32F103RCT6單片機(jī)，具有高性能、低能耗、低成本的特點(diǎn)。它具有ARM32位Cortex-M3 CPU;最高工作頻率為72MHz;8個(gè)16位定時(shí)器（2個(gè)基本定時(shí)器，4個(gè)通用定時(shí)器，2個(gè)6通道高級(jí)控制定時(shí)器）;2個(gè)I2C接口（SMBus/PMBus）;5個(gè)USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，調(diào)試控制）;3個(gè)SPI接口（18Mb/s），2個(gè)和I2S復(fù)用;片上集成256KB的FLASH存儲(chǔ)器、48KB的SRAM存儲(chǔ)器。完全能夠滿足對(duì)系統(tǒng)的控制，較大程度上簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。

安全系統(tǒng)中STM32單片機(jī)的主要控制程序的主要任務(wù)在于對(duì)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、分析以及對(duì)安全系統(tǒng)中進(jìn)給電機(jī)的控制。系統(tǒng)啟動(dòng)，開始接收測(cè)距傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，再與系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的范圍值進(jìn)行對(duì)比，然后對(duì)銑床是否會(huì)發(fā)生撞刀事故進(jìn)行判斷。

3.2測(cè)距模塊

單片機(jī)利用串行通訊向激光測(cè)距傳感器發(fā)送測(cè)量命令，傳感器接收此命令后發(fā)射一束光信號(hào)，經(jīng)刀具和工件反射回的光信號(hào)在傳感器內(nèi)部被轉(zhuǎn)換為一序列號(hào)碼，若成功返回正確代碼，再經(jīng)單片機(jī)分析處理，當(dāng)所測(cè)得的數(shù)據(jù)處于系統(tǒng)危險(xiǎn)范圍內(nèi)時(shí)，即被判定會(huì)發(fā)生撞刀事故，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)信息并停止銑床運(yùn)動(dòng)。

3.3銑床運(yùn)轉(zhuǎn)模塊

測(cè)距傳感器安裝在機(jī)床床身上。銑床運(yùn)轉(zhuǎn)模塊主要功能是利用單片機(jī)和輸入機(jī)床的程序共同控制銑床在進(jìn)給過程中的運(yùn)動(dòng)，包含自動(dòng)檢測(cè)程序，達(dá)到及時(shí)預(yù)算到撞刀事故的發(fā)生，并下達(dá)相應(yīng)命令。同時(shí)利用可編程控制器改造銑床控制線路，采用繼電器控制電路。改造后，可減少機(jī)床故障率，并能簡(jiǎn)化主傳動(dòng)控制系統(tǒng)硬件電路，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，降低了控制電路的復(fù)雜程度和維護(hù)難度，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。

3.4電源模塊

電源模塊也為供電模塊，該系統(tǒng)利用開關(guān)電源，將220V電壓透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為銑床系統(tǒng)所需的5V電壓。開關(guān)電源的濾波效率比線性穩(wěn)壓電源高500倍左右，具有低能耗、質(zhì)量輕、穩(wěn)壓范圍廣、紋波小的特點(diǎn)。

4缺陷及改進(jìn)

在設(shè)計(jì)過程中，該銑床安全系統(tǒng)遇到的困難及解決方案：

（1）電源模塊原本采用阻容降壓，體積小、成本低，缺點(diǎn)是沒有隔離，有觸電風(fēng)險(xiǎn)，不能用于大功率負(fù)載，同時(shí)不適合容性、感性和動(dòng)態(tài)負(fù)載等，不利于保障操作者安全，可采用電源開關(guān)解決，不需要使用笨重的公頻變壓器，濾波效率高，存在隔離，無觸電風(fēng)險(xiǎn)。

（2）銑床運(yùn)轉(zhuǎn)模塊中，打算將單片機(jī)嵌入到銑床系統(tǒng)里，使用單片機(jī)與銑床直接通訊，但發(fā)現(xiàn)不同型號(hào)的銑床的程序不一，需要為每一種型號(hào)去設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序，且穩(wěn)定性無法得到保證，開發(fā)難度較大，故采用繼電器控制，使用繼電器直接切斷銑床的電源或控制銑床急停的開關(guān)，開發(fā)難度小，且對(duì)大部分型號(hào)的銑床都通用。

（3）在測(cè)距模塊中，超聲波測(cè)距傳感器與激光測(cè)距傳感器皆能達(dá)到測(cè)量目的。超聲波測(cè)距傳感器具有高頻率的特點(diǎn)，1秒達(dá)到100次以上，但精度低（1-2cm誤差）;激光測(cè)距傳感器有較高的精度（1-2mm誤差），穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是頻率低，精度容易受靜電影響。對(duì)比之后，該系統(tǒng)應(yīng)用高精度的激光測(cè)距傳感器，并且利用金屬外殼解決靜電問題。

通過以上問題的解決，一套較為成熟的銑床電子安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成。通過實(shí)踐后發(fā)現(xiàn)該安全系統(tǒng)仍存在一定問題有待改善，如銑床在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)對(duì)傳感器的測(cè)量精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定影響，有以下幾個(gè)解決方案：

（1）傳感器不固定在銑床上，而是安裝在銑床周圍的地上，使用支架固定，但是對(duì)測(cè)量精度仍有影響。

（2）使用一些緩沖的裝置來減小系統(tǒng)的振動(dòng)帶來的影響，如使用橡膠等較軟的物質(zhì)填充，或者模仿洗車的減震系統(tǒng)（液壓，彈簧）。

（3）使用類似手機(jī)攝像頭的方案，使用云臺(tái)穩(wěn)定器，能大幅度保證系統(tǒng)的精度，但技術(shù)要求高，且會(huì)大幅度增加成本。

5 ?結(jié)語(yǔ)

數(shù)控銑床的撞刀一般發(fā)生在學(xué)生實(shí)訓(xùn)及新工件的試切過程中。該電子安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要應(yīng)用在高校實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，改裝方便，只需安裝測(cè)距傳感器并輸入系統(tǒng)程序即可。通過測(cè)距傳感器的信息收集及單片機(jī)的信息處理，增加了自動(dòng)檢測(cè)程序;通過系統(tǒng)控制，及時(shí)制動(dòng)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)并報(bào)警，在確認(rèn)沒有其他危險(xiǎn)因素的前提下，使機(jī)床復(fù)位即可解除警報(bào)，避免銑床發(fā)生撞刀事故，不會(huì)對(duì)機(jī)床的正常加工產(chǎn)生任何的影響。該系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，進(jìn)一步解決了數(shù)控銑床教學(xué)過程中初學(xué)者在操作不熟練的情況下易發(fā)生撞刀的問題，同時(shí)節(jié)省了刀具的損耗量和機(jī)床的維修費(fèi)用。該銑床電子安全系統(tǒng)給解決大型機(jī)床的安全問題提供了一種全新的思路，對(duì)以后的機(jī)床安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有參考意義。

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作者簡(jiǎn)介：

莊文（2000-），男，漢，廣東揭陽(yáng)人，本科在讀，研究方向：機(jī)械制造及自動(dòng)化

肖敏（2000-），女，漢，湖南永州人，本科在讀，研究方向：材料成型及控制工程

蔣軒航（2000-），男，漢，湖南永州人，本科在讀，研究方向：微電子科學(xué)與工程