一种普通车床的自动安全保护装置的设计

万铮， 孙莹

（四川交通职业技术学院，成都 611130）

0 引言

车削加工占到机械加工的60%比重。由于普通车床无防护罩，无自动安全保护功能，在高速旋转的工作状态下，对于安全意识薄弱、操作不熟练和具有恐惧心理的初学者，很容易发生安全事故。

车床操作过程中，对于初学者通常隐藏的非安全状态有如下几种：一是卡盘扳手在主轴卡盘上忘记取下，便开启主轴，导致扳手飞出伤人；二是刀架自动走刀靠近卡盘时，因紧张和经验不足，使得对刀架与卡盘的实际间距作出错误判断，导致刀架撞上高速旋转的卡盘爪；三是在螺纹加工时，由于习惯性动作，误操作开启快速走刀，造成加工失误；四是小拖板正、反向走刀超过极限，导致丝杠螺母退出，造成设备损坏。

为此，开发针对于普通车床的自动安全保护装置就显得尤为重要。

1 控制装置的功能与结构

1.1 控制装置的功能

根据以上对普通车床常见危险的描述，本装置的安全保护功能为：1）卡盘扳手在主轴卡盘上未取下，机床主轴起动被禁止；2）刀架纵向自动走刀靠近卡盘或尾座时，若超过设定的极限，车床快速自动走刀立即停止；3）在螺纹加工时，车床快速自动走刀被禁止；4）小拖板横向进、退自动走刀时，若超过设定的极限，车床快速自动走刀立即停止。

为此作如下定义：Z-超限保护为刀架向卡盘方向纵向自动走刀至设定的极限位置的保护；Z+超限保护为刀架向尾座方向纵向自动走刀至设定的极限位置的保护；X+超限保护为小拖板横向远离工件自动走刀至设定的极限位置的保护；X－超限保护为小拖板横向接近工件自动走刀至设定的极限位置的保护。

针对以上安全保护功能的控制逻辑如表1所示。

表1

1.2 控制装置的总体结构

控制装置的主要功能是对车床的安全信息进行采集、处理和判断，并做出正确的控制决定。同时，考虑到装置能将非安全状态实时显示出来，起到提醒操作者的作用。

整个控制装置由三部分组成：一是显示控制模块，安装在车床主轴箱上表面；二是安装于车床各部件上的检测系统；三是安装于车床电气控制箱的电气控制模块。

显示控制模块主要由显示部分（液晶显示屏+LED状态显示）、单片机系统、I/O接口等组成。单片机采用Atmel公司的AT89C51系列单片机。

2 软件设计

显示控制模块为单片机控制系统。当车床强电接通后，显示控制模块通电进入工作状态。此时，采集和分析车床相应部件的工作状态信息，在车床无安全隐患的情况下，接通车床主轴电机和快速进给电机电源。车床进入正常工作状态。此后显示控制装置仍时实采集车床工作状态，若检测到非安全信号，控制装置将切断主轴电机或快速进给电机电源，并显示出非安全信号的类型，以警示操作者。显示控制模块的软件流程如图1所示。

图1 下位机软件流程图

3 车床安全状态的检测

控制装置的检测系统主要功能是完成以上6个工作状态的检测，分别是卡盘扳手状态、丝杠工作状态、刀架纵向两个极限状态（Z+超限、Z-超限）和横向（X+超限、X-超限）两个极限状态。本装置采用各个检测方案如下：

3.1 卡盘扳手的状态检测

车床正常工作的条件是卡盘扳手必须从卡盘上取下。卡盘扳手正常取下的信号获取是利用在机床主轴箱面板的左侧，安装一个带检测元件的卡盘扳手套的方式。若本车床扳手从卡盘上取下，并插入对应的扳手套中，检测元件便产生“扳手取下”信号，此时，下位机接通车床主轴电机的电源，主轴电机允许启动。考虑到生产现场人多手杂，在“扳手取下”信息检测方案上做到了卡盘扳手与本车床的一一对应关系，即如果误将其他车床的卡盘扳手插入本车床的扳手套中，不会产生“扳手取下”信号，主轴是无法开启的。

3.2 丝杠工作状态的检测

车床的螺纹加工状态，是通过光杠、丝杠档位手柄的位置检测来判断的。车床加工螺纹时，光杠、丝杠档位手柄应打在5、6、7、8档上，开合螺母合上，刀架由丝杠带动。此时，不允许开启快速自动走刀。本系统对光杠丝杠档位柄的位置检测采用了一种简单、可靠的方案，如图2所示，在档位手柄的外圆柱面贴上一段软磁条，箱体对应位置上安装磁性开关，当软磁条与磁性开关处于正对位置关系（即手柄在5、6、7、8档位）时，磁性开关便产生“丝杠工作”信号。显示控制装置在检测到“丝杠工作”信号时，将切断快速进给电机的电源，快速自动走刀被禁止。

图2 丝杠状态检测

3.3 Z+、X+、X- 极限状态的检测

机床限位控制需要准确、及时，可靠性高。但环境较差的切削加工，由于切屑和切削液的原因，常常导致机械式行程开关被腐蚀和卡死，导致控制失灵，为此，本系统对大、小拖板的行程位置的检测采用了电磁检测原理，此方法不仅能保证信号采集的可靠性。同时，延长了检测元件的使用寿命。

4 车床上电气控制模块

控制装置的电气控制模块的主要功能是提供显示控制模块的电源、接收在线检测信号、输入控制信号。因此，此模块由电源、继电器电路和I/O接口组成。

普通车床的主轴和刀架快进由2个电机独立控制。电气控制模块中的2个继电器电路接至2个电机的接触器回路。当继电器接收到显示控制模块的控制信号后，将对2个电机的接触器回路进行相应的接通与断开的控制，从而实现了电机的自动控制。

在Z-超限保护方案中，设计主轴和快进电机同时停止，由于普通车床主轴电机无制动控制电路，为保证Z-超限时主轴电机能立即停止，本系统在原车床主轴电机控制电路中增设反接制动电路，通过延时反向制动控制原理，实现了主轴的急停。

5 结 论

基于现代机械设备向更人性化、更智能化方向发展的要求，普通车床上安全保护装置实现了车床的安全自动保护，推进了传统机械设备的技术革新，改变了传统机械设备操作危险、功能单一的现状。它在各级学校的实习工厂和大型制造企业中都具有广泛的应用前景。

［1］ 刘安杰.数控机床中常用的安全电路［J］.可编程程序控制器与工厂自动化，2005（8）：125-126，132.

［2］ 宋小红，曹峰.普通车床保护系统［J］.河南科技，2010（21）：69-70.

［3］ 彭瑜.无线通信在工控领域的应用现状与前景［J］.电机产品市场，2007（12）：18-21.

［4］ 庞崇禄.普通车床“加装限位安全保护装置”技术改造［J］.职业，2010（35）：174-175.