数控车床防撞刀系统的开发

JOURNAL OF MINJIANG UNIVERSITY

No.5 2017

General Serial No.163

数控车床防撞刀系统的开发

叶海平

(漳州职业技术学院机械与自动化工程系，福建漳州363000)

摘要：在数控加工实训过程中，数控车床一旦发生撞刀，危害极大.为了有效地防止撞刀现象的发生，

基于现有的PLC控制技术，结合速度传感技术与位置信号识别技术，开发设计出一套防撞刀控制系

统.将这套防撞刀系统装在实训用的数控车床上，初学者或是学生即使操作失误，也能有效地避免撞 刀的发生.这套防撞刀系统能有效减少了事故的发生，很好地保障了数控车床的精度和操作者的人身 安全.

关键词：数控；机床安全；位置识别；防止撞刀中图分类号：TP27 文献标志码：A

文章编号：1009-7821 (2017)05-0069-04

Development of anti-collision system for CNC lathe

YE Haiping

(Department of Mechanical and Automation Engineering，Zhangzhou Institute of Technology，

Abstract ： In the process ol NC machine practice，CNC lathe will cause great harm once tool collision

occurs. In order to effectively prevent the occurrence ol tool collision, the author has designed and de­veloped one anti-collision system based on the existing PLC control technology, at the same time com­bined with speed sensor technology and position signal recognition technology. This anti-collision system will be installed on CNC lathe for practical training. Even if the beginners or students have some misoperation，it could effectively avoid tool collision. This anti-collision system could effectively lessen the accidents and ensure the accuracy of CNC lathe and the personal safety of operator.

Zhangzhou，Fujian 363000，China)Key words ： numerical control； machine safety; position recognition; anti-collision knife

0引言

随着“工业4.0”和“智能制造2025”的大力推行,许多机械制造及加工企业积极响应号 召，购买数控设备进行生产，提高企业的自动化程度，使得数控操作类人才的需求剧增.中职学校收稿日期：2016-12-06基金项目：福建省中青年教师教育科研项目（JA160872)通信作者：叶海平（ 1982-)，男，福建漳州人，讲师，硕士，主要从事机械设计与数控技术研究.E-mail: 44002326@ qq.com.

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闽江学院学报2017 年

和高职院校为了适应社会的人才需求，加大对数控车实训设备的投人，培养符合企业需要的技能 型人才.然而在数控车床的实训教学中（整个操作过程如图1所示），由于编程、操作或其他原因， 均可能会使刀具或刀库撞到高速旋转着的工件或卡盘上,轻则刀具损坏、工件报废，重则损坏机 床,影响机床的加工精度，甚至造成人身事故[1].

图1数控车床操作实训过程

Fig. 1 The operation training process of CNC lathe

由于现在高职学校的生源质量逐渐降低,实训师资力量也有限，在数控加工实训中，经常会 发生上述所说的撞刀现象.因此，如何能够有效地防止撞刀现象的发生，成为了中高职院校数控 机床技术人员急需解决的一个问题[2].

1数控车床防撞刀系统设计的意义

数控车床的撞刀是指初学者或学生在操作机床过程中，由于操作不当造成数控车床的刀具 与工件或夹具发生非正常的接触.由于刀具的移动速度过快，所承受的载荷过大，使得刀具受到 不同程度的损坏.在发生碰撞的同时，夹具也有可能损坏，机床的几何精度也会受到不同程度的 损坏，由于相撞过程中，有可能造成工件或是刀具飞出来，进而伤害到操作者的人身安全,给操作 者造成一定的心理压力，严重打击了学习者的学习积极性.因此，在数控车床的实训过程中，实训 指导老师要尽可能减少学习者由于操作不当所造成的撞刀.

数控车床的撞刀主要是程序、补偿等不合理以及对刀、装夹等不规范导致工作台碰到工件、 主轴、夹具或尾座所造成的.由于目前的数控车床都有行程开关，因此碰到主轴和尾座的可能性 非常小.在数控实训过程中，经常发生的情况是刀具碰到工件或夹具.由此可以发现发生撞刀的 两个必要因素:一是速度过快;一是刀具接触到工件或夹具.因此，可以通过速度检测技术、接触 检测技术和PLC技术来保证防撞刀系统的实现.

2 工作台移动速度的检测

数控车床的控制轴数为两轴，检测的移动速度即为Z轴和Z轴的移动速度.根据数控车床的 工作原理,数控车床工作台的移动速度取决于电动机，电动机的转速又取决于驱动系统所接收到 的CNC装置发出的脉冲频率.检测数控车床的工作台移动速度，可以通过获取CNC装置发出的 脉冲频率的大小，间接测量出数控车刀的移动速度.这种检测方法不但方便,而且非常准确[3].

3 刀具和工件或主轴的位置关系检测

选用接近开关检测刀具和工件或主轴的位置关系.接近开关也称无触点接近开关，是比较理 想的一种电子开关量传感器.当金属制品在接近开关的感应距离时，开关就能做出相应的动作. 这样的动作不会产生压力，也没有火花，可以迅速发出指令，准确地反应出运动机构的位置和行 • 70 •

第5期 叶海平：数控车床防撞刀系统的开发

程.接近开关有别于行程开关，不用接触就会发生动作，可以很好地避免因为接触而导致的工件 或是刀具的损坏，准确度高，灵敏度强.

接近开关的工作原理如图2所示.将接近开关装在工作台上面，然后进行位置检测的调试. 移动工作台,使得工作台远离主轴和工件，此时高频振荡器开始震荡，经过二极管VD1和

VD2

的倍频整流，形成一个电源信号，使得BG2导通,BG3截止，后续的电子电路不工作;当工作台向 主轴和工作台方向移动时,高频振荡器停止工作，BG2截止,BG3导通，后续电路开始工作，形成 一个开关型号.可以通过调整接近开关的灵敏度，来实现接近开关的感应距离[4].

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二

001 5

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T. 0G 13图2接近开关工作原理

Fig.2 The working principle of proximity switch

4防撞刀系统设计和实现

引发撞刀的因素有两个:一是刀具与工件是接触的;二是工作台的移动速度超过允许值.因 此可以通过判断刀具是否靠近主轴和工件，来确定其是正常切削还是撞刀[5].如果靠近,就进一 步检查工作台的进给速度是否超出了正常范围.

根据以上的控制要求设计控制流程图，通过数控机床的控制系统内置PLC完成以上任务. 采用内置的PLC来设计控制系统，可充分利用数控机床的自有资源，大大节省了防撞刀系统的 设计成本.首先，将接近开关的接触检测点连接至机床电器柜中系统的扩展口（ X10);然后，通过 编制PLC程序来实现发生撞车时的急停.当接触时，信号变为“1”，用高速输人端子X接口设置,设计的PLC梯形图（图4).其中，R10和

G0008.5为系统进给暂停信号.

I

和X2接

收数控车床的Z轴和Z轴两个进给方向的脉冲信号，用于检测进给速度.根据以上的控制流程和

R

11为内部继电器，G0008.2为报警信号,

通过编程的梯形图可以发现，当刀具接触工件时，X10得电.当X轴的速度信号超过设定值 时,继电器R10得电，直接跳转到P20,机床报警，并执行进给保持.当Z轴的速度没超过设定值 时，比较Z轴的速度信号是否超过设定值，当超过设定值时,继电器R11得电，机床报警,并执行 进给保持.如果Z轴和Z轴都没有超过设定值，那就结束，正常返回.

• 7卜

闽江学院学报2017 年

数控车床开机

X10

图3防撞刀的控制流程图

Fig.3 Control flow chart for anti-collision knife

图4防撞刀的梯形图

Fig.4 The ladder diagram for anti-collision knife

5 结论与展望

随着数控车床的广泛应用，对数控技术人才的需求将会越来越多.而在培训的过程中，数控 车床的撞刀危害又非常大,不仅损坏机床，还可能会造成人身伤害.本文通过研究数控车床的撞 刀机理,采用速度检测技术和位置检测技术,结合机床内置PLC技术，设计出一套数控机床的防 撞刀系统.通过在数控实训中心的数控车床上进行实验，实验员将工作台以G00的速度移动工作 台，数控车床没有发生报警;当以G00的速度移动时，靠近工件时机床就发生了报警.通过手动操 作实验和编程(切槽斜线退刀）操作实验，经过多次试验证明，这套防撞刀系统确实能有效避免 数控车床撞刀的发生.

参考文献：

[1] 李华虎.数控车床编程与操作训练课程探究[J].现代职业教育，2016,3(9):126.[2] 卢亮亮.数控切削加工中撞刀现象及对策[J].科学与财富，2014，12(6):461-462.[3] 张锐丽，王洪.浅谈数控车床撞刀现象[J].软件，2013,20(6):112-113.[4] 李宝成.浅谈数控实习教学中撞刀现象及对策[J].中国机械，2013，16(15):238-239.[5] 林奕滔.浅谈数控车床实习课堂管理的方法[J].教学探索，2014，11(12):100.

[责任编辑：金甦

英文审校:许艺萍]

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