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數(shù)控加工過程容易出現(xiàn)撞刀事故，特別是在數(shù)控技能人才的培訓(xùn)過程中，學(xué)員缺乏數(shù)控操作的實際經(jīng)驗與系統(tǒng)的理論知識，更容易導(dǎo)致撞刀事故發(fā)生。撞刀事故不僅可能對昂貴的數(shù)控機床設(shè)備造成危害，嚴(yán)重的話，可能造成數(shù)控機床的報廢，更可怕的是可能造成人身傷害。因此，怎樣防止撞刀事故的發(fā)生，一直都是從事數(shù)控機床技術(shù)人員重點考慮的問題之一。
 
1 撞刀信號的檢測
　　所謂數(shù)控機床撞刀，指的是由于各種錯誤而導(dǎo)致刀具以非正常切削速度(一般是G00指令快速移動)與工件或機床其他部件發(fā)生的碰撞。要防止撞刀事故的發(fā)生，可以考慮使用接近開關(guān)對刀具與工件的位置關(guān)系進(jìn)行判斷，并檢測此時車刀的移動速度和方向，以此通過判別。當(dāng)判別到刀具與工件距離在警戒范圍內(nèi)，且刀具快速移動朝向工件時，就認(rèn)為要發(fā)生撞刀事故。此時，控制系統(tǒng)發(fā)生動作，并實現(xiàn)電機制動。信號檢測方法如下。
　　
1.1 用接近開關(guān)對刀具與工件的位置關(guān)系進(jìn)行判斷
　　由電磁場理論可知，在受到時變磁場作用的任何導(dǎo)體中，都會產(chǎn)生電渦流。據(jù)此原理可自制金屬傳感器電路。在圖1中，電路由振蕩電路、比較電路和整形電路三部分組成。將車刀套入傳感器線圈中，檢測電路接通電源后，線圈振蕩產(chǎn)生一個交變磁場，金屬工件在此磁場中移動時產(chǎn)生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線性衰減，衰減量的變化正比于金屬工件和車刀的距離。振蕩電路的輸出幅值經(jīng)過比較器進(jìn)行比較，比較后的輸出信號經(jīng)過整形電路整形，可直接輸入控制電路進(jìn)行檢測狀態(tài)的判別。電渦流式傳感器的靈敏度和線性范圍與線圈產(chǎn)生的磁場強度和分布狀況有關(guān)。接近開關(guān)的警戒距離可以通過調(diào)整傳感器線圈的尺寸、形狀及圖1中R1的電阻來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。
接近開關(guān)電路原理圖


圖1接近開關(guān)電路原理圖
　　
1.2 用HC對車刀運動方向信號及速度信號進(jìn)行檢測
　　檢測車刀運動方向信號只要檢測步進(jìn)電機方向信號的高低電平即可。
　　而速度信號的檢測，首先是采集驅(qū)動步進(jìn)電機的脈沖信號，并在1個時基內(nèi)采用PLC的高速脈沖計數(shù)器對該脈沖信號進(jìn)行記數(shù)，將所記數(shù)與寄存器設(shè)定值比較，當(dāng)1個時基內(nèi)所記數(shù)大于設(shè)定值時，就可輸出開關(guān)量。

 2 防撞刀系統(tǒng)控制方案
　　控制系統(tǒng)的設(shè)計可以利用PLC來實現(xiàn)。PLC是一種成熟的工業(yè)控制產(chǎn)品，內(nèi)部有良好的光電隔離裝置，抗干擾能力強，可靠性高，靈活性好，其接線與參數(shù)修改方便，對現(xiàn)場不同的實際情況可以及時地作出調(diào)整。
　　PLC控制系統(tǒng)選用FXlN-24M，其參數(shù)與性能為：14個輸入點，其中X0～X5這6個端子為高速輸入端子，10個輸出點。單步步速0.55μs～0.7μs，應(yīng)用指令數(shù)～數(shù)步速約為100 bts，繼電器輸出。根據(jù)控制要求，設(shè)計PLC的控制流程如圖2所示。

圖2 PLC控制流程圖
圖2 PLC控制流程圖
　
PLC控制的梯形圖如圖3。接近開關(guān)檢測信號由X10輸入，X軸、y軸方向信號的高低電平分別由X11、X12端口輸入。若X11、X10均處于高電平時，認(rèn)為工件處于接近開關(guān)警戒距離，且車刀向工件方向運動，此時執(zhí)行SPD指令，檢測車床X軸速度。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號由PLC的X0端子輸入，并在1個時基內(nèi)記數(shù)為DO，隨后執(zhí)行CMP比較指令，當(dāng)DO大于設(shè)定的比較常數(shù)值K=3時，系統(tǒng)判別車刀速度為快速移動，數(shù)控車床處于要撞刀狀態(tài)，輸出M0高電平信號，并轉(zhuǎn)跳到P20，從而Y1輸出高電平。若DO小于設(shè)定的比較常數(shù)值K=3，則說明X軸方向處于正常狀態(tài)，程序繼續(xù)往下運行。
 
PLC編程梯形圖

圖3 PLC編程梯形圖
　　
若X12、X10均處于高電平，同樣執(zhí)行SPD指令，車床Z軸相應(yīng)的脈沖信號由PLC的X2端子輸入，并在1個時基內(nèi)記數(shù)為D3，隨后執(zhí)行CMP比較指令，當(dāng)D3大于設(shè)定的比較常數(shù)值K=3時，同樣輸出M3高電平信號，從而Y1輸出高電平。若D3小于設(shè)定的比較常數(shù)值K=3，則說明Z軸方向處于正常狀態(tài)，程序結(jié)束，進(jìn)入下一個檢測周期。
　　Y1接通后進(jìn)一步使繼電器(帶自鎖功能)的線圈接通，從而切斷X軸、y軸步進(jìn)電機的脈沖控制信號。當(dāng)脈沖信號輸入被切斷時，X軸、y軸步進(jìn)電機自動進(jìn)入鎖相狀態(tài)，約1 s后進(jìn)入半流鎖相。Y2用于報警輸出。
　　
程序設(shè)計的一些說明。
　　1)關(guān)于高速輸入端子。對于選用的FXlN-24M來說，不同輸入端子的輸入頻率上限是不同的：最低的，如X4、X5只有7kE引。如對GSK928TA數(shù)控車來說，刀架快速移動的速度設(shè)置為3 000mm／min時，此時其對應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)的輸出頻率為5 333 Hz，并不超過PLC的X4、X5端口的頻率上限7 kHz。若數(shù)控系統(tǒng)的CPU指令發(fā)出的脈沖信號頻率超過PLC的X4、X5端口的最高頻率7k，其后果只會導(dǎo)致脈沖信號丟失漏記，不會影響到PLC對電機轉(zhuǎn)速或刀具移動速度是否為“快速”的判斷。
　　2)關(guān)于CMP指令中比較常數(shù)K值的設(shè)定問題。對于GSK928TA的Z軸，數(shù)控車Z軸的脈沖當(dāng)量為0．01 mm，當(dāng)快速進(jìn)給的速度為1 000mm／mim時，即要求在1 min的時間內(nèi)發(fā)出1×105個脈沖，即脈沖頻率應(yīng)為1 777．7 Hz，這樣在5 ms內(nèi)可檢測的脈沖個數(shù)約為9個。由于切削進(jìn)給速度一般在150 mm／min以下，此時在時基常數(shù)K設(shè)定為5 ms的時基內(nèi)可檢測的脈沖個數(shù)最多只有2個。考慮留有一定的安全裕度，在這里設(shè)定比較常數(shù)K值為3，實際過程中可根據(jù)實際隨時通過修改程序進(jìn)行調(diào)整。
　　X軸基于與Z軸類似的分析，同樣設(shè)定比較常數(shù)K值為3。
　　程序在系統(tǒng)控制試驗中運行正確。
 　　
接近開關(guān)警戒距離的設(shè)計
　　當(dāng)控制系統(tǒng)判別要出現(xiàn)撞刀事故時，此時電機應(yīng)進(jìn)行緊急制動。為防止撞刀，顯然應(yīng)要求系統(tǒng)總的制動距離小于警戒距離。接近開關(guān)警戒距離主要根據(jù)系統(tǒng)總的制動距離來進(jìn)行設(shè)定。
　　系統(tǒng)總的制動距離A由2個因素決定：一是控制系統(tǒng)的響應(yīng)延時；二是克服執(zhí)行機構(gòu)慣性所必須的制動距離。響應(yīng)延時的大小與具體的控制系統(tǒng)設(shè)計息息相關(guān)，而制動距離除與慣性大小有關(guān)外，還與其制動力矩有很大的關(guān)系。下面對此做出進(jìn)一步的分析。
　　　3.1.2 功放電路中鎖相延時td2
　　在功放電路中，各個晶體管的開通時間一般在1tds以下，光耦PC上升速度響應(yīng)時間約為幾十微秒，若采用高速光耦則只需幾微秒。因此功放電路中鎖相延時主要是鎖相電流的上升時間，對于步迸電機繞組，鎖相電流的上升時間t可由公式(1)計算：


公式
　　式中：i為電機鎖相電流，億為繞組驅(qū)動電壓，Rα為繞組電阻和限流電阻之和，L為繞組電感。對于GSK928TA的Z軸電機，采用DF3A系列驅(qū)動器，其Vα=310 V，R。為3.5 Q，由此可計算得t為0.486 ms。據(jù)此估算屯：約為0.5 ms。
　　3.2 步進(jìn)電機制動距離分析
　　步進(jìn)電機制動距離與具體電機種類、型號及執(zhí)行機構(gòu)慣量等有關(guān)，下面以GSK928TA數(shù)控車系統(tǒng)的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機為例分析其制動問題。
　　對于步進(jìn)電機，當(dāng)電機轉(zhuǎn)過1相繞組時存入電動機中的磁能為

公式
　　式中：L為相繞組的自感，i為通入繞組中的電流。
　　制動過程剛好與啟動過程相反，因此，從理論上說可以參照啟動的分析去處理，即若步進(jìn)電機處于單相鎖相制動時，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個齒角，即就會消耗“轉(zhuǎn)子”(包括電機轉(zhuǎn)子及其連接部件，下同)W的能量。根據(jù)能量守恒原理，分析步進(jìn)電機的制動距離，可以考慮從脈沖指令被截止后“轉(zhuǎn)子”的能量需要轉(zhuǎn)過幾個齒角才能被消耗完來求得。
　　根據(jù)能量守恒原理可得：


公式
　　3.3 車刀總制動距離的計算
　　若考慮控制系統(tǒng)的響應(yīng)延時，則車刀總的制動距離A為：

公式
　　根據(jù)式(6)，以GSK928TA數(shù)控車Z軸為例，步進(jìn)電機型號110BC3100C。
　　轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z為100，定子每相繞組電感L為18mH，鎖相電流i=8 A，絲桿螺距S-6 mm。工作臺重量Mg為140 kg，電機轉(zhuǎn)子及執(zhí)行機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量td=1.73×10-4kg·m2。根據(jù)3.1控制方案響應(yīng)延時分析，系統(tǒng)控制方案響應(yīng)延時幻約為32.5 ms(繼電器輸出)，若車刀速度Vf=2 000 mm／min時，車刀總制動距離A=3.7 mm。
　　上述對于步進(jìn)電機在出現(xiàn)撞刀事故時總制動距離的分析，對于接近開關(guān)警戒距離的設(shè)計可起到理論指導(dǎo)作用。
 
4 結(jié)語
　　防撞刀控制系統(tǒng)的設(shè)計主要應(yīng)用于新程序或數(shù)控技術(shù)人員的培訓(xùn)中，改裝方便，只需在安裝車刀時套人接近開關(guān)線圈即可。實踐中可靈活使用，當(dāng)確認(rèn)機床操作無危險時，只須關(guān)斷PLC電源，防撞刀系統(tǒng)停止工作，不會對機床的正常使用有任何影響。
　　若從經(jīng)濟(jì)角度考慮，還可以使用一臺PLC同時控制若干臺車床的防撞刀系統(tǒng)，當(dāng)然這樣會導(dǎo)致控制系統(tǒng)響應(yīng)時間加長.另外，由于步進(jìn)電機有在高頻下剎車丟步的特性，在實際應(yīng)用中應(yīng)加以注意，即每次出現(xiàn)撞刀狀態(tài)而導(dǎo)致程序運行中斷時，應(yīng)通過車床復(fù)位鍵復(fù)位，并重新設(shè)定程序零點。