一種機床自動門機聯鎖裝置

蔚 騰，陳國良

（航空工業西安飛機工業（集團）有限責任公司設備廠，陜西西安 710089）

0 引言

安全生產要求機械設備在主軸旋轉時必須有安全可靠的機床防護裝置以防止切削液及切屑的飛濺導致的現場污染和潛在人身傷害，這一要求稱為門機聯鎖。對現有的不具備門機聯鎖功能的設備實現門機聯鎖成了企業亟待解決的問題。

1 方案設計及硬件選型

1.1 設計思路及總體方案

對于西門子、法拉科等主流數控系統能夠通過重新編譯PLC 程序，控制主軸使能信號來完成防護門的打開、關閉和鎖死，但對于采用其他系統的數控機床或普通機床，由于無法對其PLC 進行閱讀與分析，故很難實現門機聯鎖功能。

要實現門機聯鎖，如何采集主軸旋轉信號并對其進行處理是一個難點?？紤]到實際使用中門機聯鎖功能和操作人員工件找正的矛盾，在設計時以主軸50 r/min 的轉速作為防護門是否關閉的判斷條件，同時裝置設計自動吹屑功能來解決防護門軌道切屑堆積難題。

設計完成的自動門機聯鎖裝置主要由1 個霍爾式轉速傳感器、1 個帶有6 個齒的感應用鋼環、1 個速度監控器、1 個行程可調節的雙作用氣缸、電磁式門鎖以及控制氣缸運動及吹氣和門鎖的電磁閥、時間繼電器和按鈕開關組成。其組成框圖如圖1 所示。

當主軸在低速運轉（<50 r/min）時，傳感器檢測的脈沖頻率很低，經過信號處理后不足以觸發繼電器組，該裝置認為機床處于工件找正狀態，機床門機聯鎖不被觸發。而當主軸速度大于這一速度后（機床處于加工狀態時），達到需要門機聯鎖的條件，這時傳感器信號經過速度監視器處理發出高電平（DC 24 V）驅動繼電器組工作實現防護門自動關閉的動作。當加工完成時，待主軸完全停止后，操作人員按下開門開關按鍵，電機床防護門會被自動打開。

1.2 硬件選型及控制流程

1.2.1 主軸速度檢測

考慮到實際使用中干擾源比較多，因此采用霍爾式轉速傳感器來完成主軸轉速的測量。設計采用A3141 霍爾開關作為檢測主軸速度的傳感器，其測量范圍為（1～10 000）r/min。該轉速傳感器的輸出頻率和主軸轉速成線性關系，對應的函數關系式見式（1）：

圖1 自動門機聯鎖裝置連接示意圖

式中 n——機床主軸轉速，r/min

z 檢測用圓盤上的感應齒的齒數，個

取n=50 r/min 作為門機聯鎖裝置是否工作的臨界點，取z=6（感應用圓環上永磁齒的個數），可得到傳感器輸出的頻率為f=5 Hz。將這一頻率作為速度監控器是否輸出高電平的依據。

1.2.2 信號處理及放大電路

轉速傳感器輸出的是脈沖信號，還需要設計積分和放大電路對信號進行處理（F/V 轉換），使之變化為可驅動歐姆龍繼電器的直流24 V 電壓。該裝置選擇EMA 單通道輸入速度監控器SM1003 對檢測到的脈沖信號進行處理，實現F/V轉換。

利用24 V 直流電源來驅動速度監視器，速度監視器的端子2 接+、端子1 接-，將傳感器（NPN 型輸出）檢測到的脈沖信號接至SM1003 的5 和10 端子上，利用13 和14 號接線端子（常開觸點）來控制歐姆龍繼電器的線圈。設定速度監控器的閥值為5 Hz，當主軸速度50 r/min 時，速度監視器改變13 和14 號接線端子狀態，輸出一個高電平的控制信號給KA1，從而驅動繼電器組按照設計的流程進行工作。

1.2.3 自動門機聯鎖裝置控制流程

當主軸發生旋轉時，霍爾傳感器發出脈沖信號，速度監控器對該信號進行監控判斷。當轉速<設定的50 r/min 時，該裝置認為設備處于工件找正狀態不觸發門機聯鎖功能，當轉速>50 r/min（或當按下SB1 手動關門按鈕）時發出高電平（DC 24 V），驅動繼電器組開始按照設定好的流程進行工作。此時吹屑用繼電器KA3 吸合，延時繼電器T1 開始計時，KV3 得電吹屑3 s。接著關門用繼電器KA1 吸合、KV1 得電關門，當門關閉到位時檢測開關SQ1 閉合；KA1、KA3 失電，門鎖繼電器KA4 吸合防護門可靠鎖死。當加工完成需要開門時，按下SB2 開門按鈕，KA4失電、防護門鎖打開，KA3 吸合，KV3 得電吹屑3 s 清潔導軌；之后開門用繼電器KA2 吸合、KV2 得電開門，當防護門打開到位時檢測開關SQ2 閉合停止開門動作。

1.2.4 氣動控制及執行元件

該裝置的執行機構采用氣動單元，和液壓驅動相比，氣動驅動具有以下優點：以空氣為介質，來源方便；動作迅速、反應快、結構簡單、管路不易堵塞。該裝置由繼電器控制一個三位四通電磁換向閥來驅動一個雙作用氣缸完成防護門的閉合與打開，氣缸選擇安裝尺寸小，軸向作業空間大，不易吸入灰塵發生漏氣的磁偶式無桿氣缸。設計出的氣動控制原理如圖2 所示。

3 結束語

圖2 氣壓控制電路

針對機械主軸的機床通用門機聯鎖裝置獨立于機床PLC及電氣控制之外，獨立封裝，能夠實現機床防護門的自動關閉、鎖死，該裝置安裝方便、操作簡單，只需要外接氣源，能夠有效解決企業實際生產中對于機床門機聯鎖的要求，同時具有廣闊的市場前景。