数控车床实训安全智能管理设计与应用

刘衍益

（江苏省无锡交通高等职业技术学校，江苏无锡 214046）

0 引言

学校的实训数控车床为生产型数控车床，未对设备进行专门研究与设计，安全防护系统不够完善，实训过程中安全事故频发，对学生的人身安全和学校的财产安全构成威胁。分析数控车在实训中存在的安全隐患问题。

1 安全隐患问题

（1）不遵守车间实训安全制度，存在1 机多人操作问题。1机多人操作指甲同学在装夹工作或测量工作尺寸，同时乙同学在系统面板上调试程序或修改刀具补偿值。如果乙同学启动主轴，后果将不堪设想。

（2）在切削加工过程中，将防护门打开，观察加工过程。这种现象存在很大的安全隐患，若此时程序有误发生撞机，很有可能导致工件或刀具飞出造成伤人事故。

（3）有时将借力杆使用后放在机床导轨上，在机床回参考点或退刀时，将尾座撞击致掉落到地上，轻者损坏机床尾座，若此时尾座旁有学生，后果将不堪设想。

（4）在实训过程中，将刀具或工件置于机床顶部，在加工过程中由于机床震动的影响，致使刀具或工作掉落在高速旋转的主轴上，造成刀具或工件飞出伤人事故。

（5）一般情况下，在实训车间，实训教师为1 人，有时遇突发情况，实训教师需暂时离开车间。此时，无法实时掌控实训安全状态。

以上5 种情况属于突出的安全隐患，迫切急需解决。针对实训安全隐患问题，通过加装检测元器件及智能控制装置，解决以上实训安全隐患，确保在实训过程中学生的人身安全和学校的设备安全。

2 改装方案设计与实施

根据在实训教学过程中，存在突出的安全隐患问题，分别对防护门、尾座、卡盘扳手、机床顶面进行专门的设计与改装，安装智能检测元件，并将检测信号传输至智能控制模块。由智能控制模块自动判断是否存在安全隐患问题。若发生安全隐患问题，智能控制模块立即将信号传送到FANUC I/O 端，促使机床停止工作。同时，智能控制模块将安全隐患问题发送至实训教师手机APP 上。

2.1 防护门安全设计

实训过程中，个别同学在切削加工中打开防护门造成极大的实训安全隐患问题。在防护门上增设信号采集器，当防护门处于完全关闭状态时，信号采集器反馈信号至智能控制模块，由智能控制模块进行自动判断，并控制机床的运行状态。在切削加工过程中，若打开防护门，机床停止运行，防止意外事故的发生。

2.2 卡盘扳手智能防护装置设计

每加工1 个零件，必须首先装夹工件，等加工完成后拆卸工件。反复装夹和拆卸工件，个别同学有时将卡盘扳手遗忘在主轴上，造成严重的安全隐患问题。专门设计卡盘扳手智能防护装置，以杜绝卡盘扳手问题造成的实训安全事故。

卡盘扳手智能防护装置的壳体采用铝合金成型板材制作，内置导套，触点开关，触点开关信号传送至智能控制模块。当卡盘扳手置于导套内时，触点开关被压下，主轴方可启动。当卡盘扳手未置于导套内时，触点开关未被压下，处于开路状态，触点开关不能将有效信号传输至智能控制模块，因此主轴无法启动，避免卡盘扳手遗忘在主轴造成的安全隐患问题。

2.3 机床顶面智能检测设计

有同学将工作或刀具置于机床顶部，造成实训安全隐患。为解决这一安全隐患，在机床顶部安装红外智能检测器。将智能检测器的检测信号传送至智能控制模块。当智能检测器检测到机床顶部存在杂物时，智能控制模块控制机床运行状态，同时将这一安全隐患问题传送至实训教师的手机APP 上，使实训教师实时监控各台机床的运行状态。

2.4 机床尾座防护装置设计

在实训中，个别同学将借力杆使用后置于机床导轨上，拖板在后退过程中，极有可能将尾座撞落到地上，造成严重的安全事故。在机床床鞍的右侧安装TSW05-N 常开三线24 V 传感器。将传感器信号输出端口连接到智能控制模块的输入端口。当尾座后退到极限位置后，尾座还存在移动现象，传感器将检测的信号传输至智能控制模块，使机床立即停止移动，避免事故的发生。

2.5 远程控制设计

在实训教学过程中，只有1 名教师负责车间实训工作。难免遇特殊情况临时离开车间，此时就造成监管空白，极易发生安全事故，可能就此事故被调离教师岗位，因此非常有必要设计远程控制开关。现各院校均已实现网络全覆盖，在每机床总开关上位安装WIFI 远程控制开关(100 A)。实训教师可通过手机APP 对机床进行远程控制管理。

3 智能控制模块连线设计及工作原理分析

3.1 智能控制模块连线设计

智能控制模块通过采集所有终端输入信号，经处理后输出信号反馈到FANUC I/O 端来控制机床的运行状态。接线见图1。

图1 智能控制流程

3.2 工作原理分析

在正常切削加工中，如某同学打开防护门，安装在防护上的传感器发出高电平将信号通过I1端口传输到智能控制模块，智能控制模块将异常情况发送到实训教师的手机APP 上，同时智能控制模块通过输出端口O1，将异常信号传输到FANUC I/O端来控制机床的运行状态。

在机床导轨上放置借力杆时，在退刀或回零过程中，使机床尾座超出极限时，安装在床鞍右端的传感器发出高电平，通过与智能控制模块输入端口的连接，当收到尾座异常信号时，智能控制模块立即向实训教师的手机APP 发送尾座I2信号异常，实训教师可通过手机了解异常情况，同时也可以通过手机APP 进行控制机床。另外，智能控制模块根据输入端I2信号，将尾座异常信号通过输出端口O2输入到FANUC I/O 端来控制机床的运行状态。

当机床顶部放置杂物时，设置在机床顶部红外线放射端发出的线外线被物体遮挡后，接收端就无法接收到，因此接收端就产生信号通过端口I3传输至智能控制模块，智能控制模块将异常情况发送到实训教师的手机APP 上，同时智能控制模块通过输出端口O3，将异常信号传输到FANUC I/O 端来控制机床的运行状态。

当卡盘扳手置于专用的卡盘扳手装置内，主轴可正常运行；当卡盘扳手未置于专用的卡盘扳手装置内时，该装置内的触点开关处于断开状态，触点开关信号线通过与智能控制模块的输入端口I4连接，智能控制模块接收到断开信号，智能控制模块向实训教师的手机APP 发送卡盘扳手的异常情况，同时智能控制模块根据输入端口I4卡盘扳手处于异常情况，通过输出口O4与FANUC I/O 端连接控制主轴，此时主轴无法启动。从而保证由于卡盘扳手遗忘在主轴上，启动主轴造成的实训安全事故。

一机多人操作是指甲同学在主轴上测量或拆卸工件，同学乙同学在机床面板上输程序或修改刀具补偿。此种行为极其危险，万一启动主轴，后果就不堪设想。因此在主轴附近设置一对红外线对射装置。当某同学在主轴处测量工件或拆卸工件时必定会挡住设置在主轴附近的红外线，因此接收端就无法接收到发射的红外线，接收端通过与智能控制模块输入端口I5连接，智能控制模块接收到主轴附近有异常情况，智能控制模块通过输出端口O5与FANUC I/O 端连接，控制主轴无法启动，从而避免由于一机多人操作引起的实训安全事故。

4 结语

该系统具有结构简单，推广价值较高，而且成本也相当低廉，触点开关，传感器，红外线对射装置，智能控制模块均可在电子市场采购。

因各中、高职院校采用的实训数控车床均为生产型数控车床，操作对象为学生，根据实训特点，学生具有操作熟练程度彽、部分同学安全意识淡薄，故实训安全隐患突出。作者根据多年的实践经验，对实训中存在安全隐患问题进行剖析，分别对防护门、尾座、卡盘扳手、一机多人操作等安全隐患问题进行改造和升级，加装智能控制器件，一旦出现安全隐患问题，机床自动停止运行，实训教师也是可通过手机APP 实现远程控制，使数控实训安全达到智能控制。实践证明，经过改装后，数控实训安全得到很大的改善。