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(shí)際經(jīng)驗(yàn)與系統(tǒng)的理論知識(shí)，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(jī)床設(shè)備造成危害，嚴(yán)重的話，可能造成數(shù)控機(jī)床的報(bào)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(jī)床技術(shù)人員重點(diǎn)考慮的問題之一。

1 撞刀信號(hào)的檢測

　　所謂數(shù)控機(jī)床撞刀，指的是由于各種錯(cuò)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(dòng))與工件或機(jī)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(shí)車刀的移動(dòng)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(dòng)朝向工件時(shí)，就認(rèn)為要發(fā)生撞刀事故。此時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)生動(dòng)作，并實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)。信號(hào)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(shí)變磁場作用的任何導(dǎo)體中，都會(huì)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(gè)交變磁場，金屬工件在此磁場中移動(dòng)時(shí)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(hào)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

圖1接近開關(guān)電路原理圖

　　1.2 用HC對車刀運(yùn)動(dòng)方向信號(hào)及速度信號(hào)進(jìn)行檢測

　　檢測車刀運(yùn)動(dòng)方向信號(hào)只要檢測步進(jìn)電機(jī)方向信號(hào)的高低電平即可。

　　而速度信號(hào)的檢測，首先是采集驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)，并在1個(gè)時(shí)基內(nèi)采用PLC的高速脈沖計(jì)數(shù)器對該脈沖信號(hào)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(gè)時(shí)基內(nèi)所記數(shù)大于設(shè)定值時(shí)，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(jì)可以利用PLC來實(shí)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(qiáng)，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(shí)際情況可以及時(shí)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(gè)輸入點(diǎn)，其中X0～X5這6個(gè)端子為高速輸入端子，10個(gè)輸出點(diǎn)。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(jì)PLC的控制流程如圖2所示。

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(hào)由X10輸入，X軸、y軸方向信號(hào)的高低電平分別由X11、X12端口輸入。若X11、X10均處于高電平時(shí)，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(yùn)動(dòng)，此時(shí)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(hào)由PLC的X0端子輸入，并在1個(gè)時(shí)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(shí)，系統(tǒng)判別車刀速度為快速移動(dòng)，數(shù)控車床處于要撞刀狀態(tài)，輸出M0高電平信號(hào)，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(yùn)行。

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(hào)由PLC的X2端子輸入，并在1個(gè)時(shí)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(shí)，同樣輸出M3高電平信號(hào)，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(gè)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(jī)的脈沖控制信號(hào)。當(dāng)脈沖信號(hào)輸入被切斷時(shí)，X軸、y軸步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)進(jìn)入鎖相狀態(tài)，約1 s后進(jìn)入半流鎖相。Y2用于報(bào)警輸出。

　　程序設(shè)計(jì)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(dòng)的速度設(shè)置為3 000mm／min時(shí)，此時(shí)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(hào)頻率超過PLC的X4、X5端口的最高頻率7k，其后果只會(huì)導(dǎo)致脈沖信號(hào)丟失漏記，不會(huì)影響到PLC對電機(jī)轉(zhuǎn)速或刀具移動(dòng)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(shí)，即要求在1 min的時(shí)間內(nèi)發(fā)出1×105個(gè)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(gè)數(shù)約為9個(gè)。由于切削進(jìn)給速度一般在150 mm／min以下，此時(shí)在時(shí)基常數(shù)K設(shè)定為5 ms的時(shí)基內(nèi)可檢測的脈沖個(gè)數(shù)最多只有2個(gè)?？紤]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(shí)際過程中可根據(jù)實(shí)際隨時(shí)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(yàn)中運(yùn)行正確。

 　　接近開關(guān)警戒距離的設(shè)計(jì)

　　當(dāng)控制系統(tǒng)判別要出現(xiàn)撞刀事故時(shí)，此時(shí)電機(jī)應(yīng)進(jìn)行緊急制動(dòng)。為防止撞刀，顯然應(yīng)要求系統(tǒng)總的制動(dòng)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(dòng)距離來進(jìn)行設(shè)定。

　　系統(tǒng)總的制動(dòng)距離A由2個(gè)因素決定：一是控制系統(tǒng)的響應(yīng)延時(shí)；二是克服執(zhí)行機(jī)構(gòu)慣性所必須的制動(dòng)距離。響應(yīng)延時(shí)的大小與具體的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)息息相關(guān)，而制動(dòng)距離除與慣性大小有關(guān)外，還與其制動(dòng)力矩有很大的關(guān)系。下面對此做出進(jìn)一步的分析。

　　3.1 控制方案響應(yīng)延時(shí)分析

　　所謂響應(yīng)延時(shí)，指的是上述撞刀的2個(gè)條件形成后到控制系統(tǒng)作出反應(yīng)，切斷數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的脈沖指令并對伺服電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)所需要的時(shí)間?？刂品桨傅捻憫?yīng)時(shí)間t_d包括PLC的響應(yīng)時(shí)間幻-及功放電路中鎖相延時(shí)t_d2。

　　3.1.1 PLC的響應(yīng)延時(shí)tdl

　　把PLC的響應(yīng)時(shí)間分為三大部分，即輸入信號(hào)滯后延時(shí)、PLC的掃描周期及輸出信號(hào)的滯后延時(shí)。

　　1)輸入信號(hào)滯后延時(shí)t1。指的是將外部的輸

　　人信號(hào)狀態(tài)讀入到PLC的輸入寄存器所需要的時(shí)間。由于輸入的一次回路和二次回路間用光電耦合器進(jìn)行絕緣隔離，二次回路中設(shè)有C—R濾波器。這是為了防止由輸入接點(diǎn)振動(dòng)的或輸入線混入噪音，引起誤操作而設(shè)置的。由于電路中的C—R濾波器濾波常數(shù)一般為10 ms，該濾波常數(shù)造成在可編程控制器內(nèi)部響應(yīng)時(shí)間滯后，約為10 ms。

　　2)掃描周期的計(jì)算￡。。嚴(yán)格說來，在PLC的實(shí)際工作中，每個(gè)掃描周期除了輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新之外，還要進(jìn)行自診斷、與外設(shè)(如上位計(jì)算機(jī))通信處理。參考圖3所示梯形圖：程序指令的響應(yīng)時(shí)間為肛s級，這里予以忽略。但由于SPD指令為自動(dòng)中斷指令，系統(tǒng)在執(zhí)行SPD指令前需自動(dòng)運(yùn)行中斷子程序。X0、X2由于使用SPD指令中時(shí)基的選擇為5 ms，所以2個(gè)SPD指令所需的中斷時(shí)間約為10 ms。故程序掃描周期約為10 ms。自診斷所需要的時(shí)間為0.96 ms。

　　因PLC運(yùn)行時(shí)不與外設(shè)通信，所以通信時(shí)間為0。

　　這樣運(yùn)行一個(gè)掃描周期t：為上述各項(xiàng)之和，即t2約為11 ms。

　　3)輸出信號(hào)滯后延時(shí)t3。對于繼電器輸出，其響應(yīng)時(shí)間約為10 ms，而對于晶體管輸出，其響應(yīng)時(shí)間在1 ms以下。

　　控制系統(tǒng)的響應(yīng)延時(shí)L。為上述三大部分響應(yīng)時(shí)間的總和，即繼電器輸出時(shí)，響應(yīng)延時(shí)約為32ms，晶體管輸出時(shí)，響應(yīng)延時(shí)約為23 ms。

　　3.1.2 功放電路中鎖相延時(shí)t_d2

　　在功放電路中，各個(gè)晶體管的開通時(shí)間一般在1tds以下，光耦PC上升速度響應(yīng)時(shí)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(shí)主要是鎖相電流的上升時(shí)間，對于步迸電機(jī)繞組，鎖相電流的上升時(shí)間t可由公式(1)計(jì)算：

　　式中：i為電機(jī)鎖相電流，億為繞組驅(qū)動(dòng)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(jī)，采用DF3A系列驅(qū)動(dòng)器，其Vα=310 V，R。為3.5 Q，由此可計(jì)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(jī)制動(dòng)距離分析

　　步進(jìn)電機(jī)制動(dòng)距離與具體電機(jī)種類、型號(hào)及執(zhí)行機(jī)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(jī)為例分析其制動(dòng)問題。

　　對于步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過1相繞組時(shí)存入電動(dòng)機(jī)中的磁能為

　　式中：L為相繞組的自感，i為通入繞組中的電流。

　　制動(dòng)過程剛好與啟動(dòng)過程相反，因此，從理論上說可以參照啟動(dòng)的分析去處理，即若步進(jìn)電機(jī)處于單相鎖相制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒角，即就會(huì)消耗“轉(zhuǎn)子”(包括電機(jī)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(jī)的制動(dòng)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(gè)齒角才能被消耗完來求得。

　　根據(jù)能量守恒原理可得：

　　3.3 車刀總制動(dòng)距離的計(jì)算

　　若考慮控制系統(tǒng)的響應(yīng)延時(shí)，則車刀總的制動(dòng)距離A為：

　　根據(jù)式(6)，以GSK928TA數(shù)控車Z軸為例，步進(jìn)電機(jī)型號(hào)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(tái)重量Mg為140 kg，電機(jī)轉(zhuǎn)子及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量td=1.73×10-4kg·m2。根據(jù)3.1控制方案響應(yīng)延時(shí)分析，系統(tǒng)控制方案響應(yīng)延時(shí)幻約為32.5 ms(繼電器輸出)，若車刀速度Vf=2 000 mm／min時(shí)，車刀總制動(dòng)距離A=3.7 mm。

　　上述對于步進(jìn)電機(jī)在出現(xiàn)撞刀事故時(shí)總制動(dòng)距離的分析，對于接近開關(guān)警戒距離的設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)套人接近開關(guān)線圈即可。實(shí)踐中可靈活使用，當(dāng)確認(rèn)機(jī)床操作無危險(xiǎn)時(shí)，只須關(guān)斷PLC電源，防撞刀系統(tǒng)停止工作，不會(huì)對機(jī)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(tái)PLC同時(shí)控制若干臺(tái)車床的防撞刀系統(tǒng)，當(dāng)然這樣會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間加長.另外，由于步進(jìn)電機(jī)有在高頻下剎車丟步的特性，在實(shí)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(yùn)行中斷時(shí)，應(yīng)通過車床復(fù)位鍵復(fù)位，并重新設(shè)定程序零點(diǎn)。