一種銑床安全系統的設計與制造

莊文 肖敏 蔣軒航

關鍵詞：銑床;撞刀;測距技術;電子安全系統

中圖分類號：TH122 ? ? 文獻標識碼：A

0 引言

在“智能制造2025”政策的號召下，越來越多的工科類院校都開展了工程訓練實踐教學課程，銑削是學生工程訓練金工實習必須掌握的基礎技能。對于規?；慕鸸嵙?，實習周期短，教學任務重，學生人數多，大多數學生第一次接觸到機械加工設備，還沒有形成良好的安全操作意識和使用規范，經常由于操作失誤或者不規范，發生撞刀事故。撞刀事故不僅影響機床精度還危及人身安全。因此，有效阻止撞刀事故的發生，一直是數控機床技術人員重點思考的問題。

銑床撞刀事故是指銑床在進給過程中，銑床上的刀具或刀柄與工件或者機床其他部件發生碰撞。目前，銑床加工過程中的防撞刀措施主要是通過操作者人工控制。能否確保銑床使用安全，完全需要通過熟練操作者來加以控制。

針對目前現存技術的不足，本文擬對銑床安裝一套電子安全系統。該系統可以有效阻止銑刀與工件間的碰撞，當檢測到刀具與工件距離在警戒范圍內，且刀具朝工件快速移動時，判定為即將發生撞刀事故，此時電子安全系統會阻止銑床繼續進給運動，可避免撞刀事故的發生，實現提前預防、防患于未然，對于維護機床的精度和實訓人員的安全具有重要意義。該系統具有高安全性、高精度、應用范圍廣、低成本等優勢，且設有自動檢測程序，進一步提高系統的準確性。

1撞刀的主要原因

普通銑床都已添加限位開關，從而防止銑床在切削過程中出現超程的撞刀事故。但在實際切削加工情況下，由于工件尺寸及位置不同，限位開關無法有效保證設備安全。操作人員操作不當撞刀問題仍無法避免。

1.1工件與刀具安裝

工件的定位裝夾、裝夾不牢是實訓中學生容易出現的問題，工件夾緊力不夠會使工件在加工過程中震動、翻轉甚至掉落;刀具夾緊力不夠會使刀具在加工過程中松動或掉落。

1.2操作不當

學生在銑削過程中，需要使用快速進給，提高加工效率。當刀具快與工件接觸時，沒有及時停止快速進給，導致刀具與工件發生碰撞。在深槽切割或切斷時，進給速度過快、沒有設置合理的退刀槽及排屑不順都會導致刀具擠壓變形或斷裂。

2安全系統的設計

根據以上銑床撞刀原因分析，提出設計一種銑床電子安全系統的思路。該系統主要由STM32單片機控制模塊、測距模塊、銑床運轉模塊和電源模塊四部分構成。其中單片機的型號為STM32F103RCT6，測距模塊主要為激光測距傳感器，用單片機控制激光測距傳感器，可

用來構成安全系統，既能測量刀具與工件間的距離，又能判斷刀具與工件的相對位置。

在銑床的床身上安裝測距傳感器，銑床快速進給過程中，根據刀具與工件的距離實時反饋給單片機，再發送給系統，測距傳感器可將信息傳輸給銑床的顯示屏上。

3 主要模塊的介紹

3.1 STM32單片機控制模塊

STM32單片機是一種微型控制器，是電子安全系統的核心部分，它控制安全系統的基本功能設定和數據的接收、存儲、分析及狀態信息的傳輸通信、輸出、顯示等功能。該系統選用STM32F103RCT6單片機，具有高性能、低能耗、低成本的特點。它具有ARM32位Cortex-M3 CPU;最高工作頻率為72MHz;8個16位定時器（2個基本定時器，4個通用定時器，2個6通道高級控制定時器）;2個I2C接口（SMBus/PMBus）;5個USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，調試控制）;3個SPI接口（18Mb/s），2個和I2S復用;片上集成256KB的FLASH存儲器、48KB的SRAM存儲器。完全能夠滿足對系統的控制，較大程度上簡化了電路的設計。

安全系統中STM32單片機的主要控制程序的主要任務在于對數據的接收、存儲、分析以及對安全系統中進給電機的控制。系統啟動，開始接收測距傳感器傳輸的數據并存儲數據，再與系統中預設的范圍值進行對比，然后對銑床是否會發生撞刀事故進行判斷。

3.2測距模塊

單片機利用串行通訊向激光測距傳感器發送測量命令，傳感器接收此命令后發射一束光信號，經刀具和工件反射回的光信號在傳感器內部被轉換為一序列號碼，若成功返回正確代碼，再經單片機分析處理，當所測得的數據處于系統危險范圍內時，即被判定會發生撞刀事故，系統自動發出警報信息并停止銑床運動。

3.3銑床運轉模塊

測距傳感器安裝在機床床身上。銑床運轉模塊主要功能是利用單片機和輸入機床的程序共同控制銑床在進給過程中的運動，包含自動檢測程序，達到及時預算到撞刀事故的發生，并下達相應命令。同時利用可編程控制器改造銑床控制線路，采用繼電器控制電路。改造后，可減少機床故障率，并能簡化主傳動控制系統硬件電路，系統運行可靠，降低了控制電路的復雜程度和維護難度，同時提高了生產效率。

3.4電源模塊

電源模塊也為供電模塊，該系統利用開關電源，將220V電壓透過不同形式的架構轉換為銑床系統所需的5V電壓。開關電源的濾波效率比線性穩壓電源高500倍左右，具有低能耗、質量輕、穩壓范圍廣、紋波小的特點。

4缺陷及改進

在設計過程中，該銑床安全系統遇到的困難及解決方案：

（1）電源模塊原本采用阻容降壓，體積小、成本低，缺點是沒有隔離，有觸電風險，不能用于大功率負載，同時不適合容性、感性和動態負載等，不利于保障操作者安全，可采用電源開關解決，不需要使用笨重的公頻變壓器，濾波效率高，存在隔離，無觸電風險。

（2）銑床運轉模塊中，打算將單片機嵌入到銑床系統里，使用單片機與銑床直接通訊，但發現不同型號的銑床的程序不一，需要為每一種型號去設計相應的程序，且穩定性無法得到保證，開發難度較大，故采用繼電器控制，使用繼電器直接切斷銑床的電源或控制銑床急停的開關，開發難度小，且對大部分型號的銑床都通用。

（3）在測距模塊中，超聲波測距傳感器與激光測距傳感器皆能達到測量目的。超聲波測距傳感器具有高頻率的特點，1秒達到100次以上，但精度低（1-2cm誤差）;激光測距傳感器有較高的精度（1-2mm誤差），穩定性好，缺點是頻率低，精度容易受靜電影響。對比之后，該系統應用高精度的激光測距傳感器，并且利用金屬外殼解決靜電問題。

通過以上問題的解決，一套較為成熟的銑床電子安全系統設計完成。通過實踐后發現該安全系統仍存在一定問題有待改善，如銑床在運行過程中產生的振動會對傳感器的測量精度和系統的穩定性有一定影響，有以下幾個解決方案：

（1）傳感器不固定在銑床上，而是安裝在銑床周圍的地上，使用支架固定，但是對測量精度仍有影響。

（2）使用一些緩沖的裝置來減小系統的振動帶來的影響，如使用橡膠等較軟的物質填充，或者模仿洗車的減震系統（液壓，彈簧）。

（3）使用類似手機攝像頭的方案，使用云臺穩定器，能大幅度保證系統的精度，但技術要求高，且會大幅度增加成本。

5 ?結語

數控銑床的撞刀一般發生在學生實訓及新工件的試切過程中。該電子安全系統的設計主要應用在高校實訓教學中，改裝方便，只需安裝測距傳感器并輸入系統程序即可。通過測距傳感器的信息收集及單片機的信息處理，增加了自動檢測程序;通過系統控制，及時制動進給電動機并報警，在確認沒有其他危險因素的前提下，使機床復位即可解除警報，避免銑床發生撞刀事故，不會對機床的正常加工產生任何的影響。該系統的操作簡單，實用性強，進一步解決了數控銑床教學過程中初學者在操作不熟練的情況下易發生撞刀的問題，同時節省了刀具的損耗量和機床的維修費用。該銑床電子安全系統給解決大型機床的安全問題提供了一種全新的思路，對以后的機床安全系統的設計有參考意義。

參考文獻：

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作者簡介：

莊文（2000-），男，漢，廣東揭陽人，本科在讀，研究方向：機械制造及自動化

肖敏（2000-），女，漢，湖南永州人，本科在讀，研究方向：材料成型及控制工程

蔣軒航（2000-），男，漢，湖南永州人，本科在讀，研究方向：微電子科學與工程