一種數(shù)控車床防撞刀系統(tǒng)及其判定方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于數(shù)控加工技術領域，涉及一種數(shù)控車床防撞刀系統(tǒng)及其判定方法。
【背景技術】
[0002]數(shù)控是一門技術密集型的專業(yè)，系統(tǒng)種類多，它包含的相關知識也較多，在數(shù)控車的培訓過程中，學員缺乏數(shù)控操作的實際經驗與系統(tǒng)的理論知識，往往更容易導致撞刀事故發(fā)生。所謂撞刀，是指數(shù)控車床在加工過程中刀具(或刀架)以GOO指令速度與工件(或機床的其他部件)相碰撞的一種非正常工作的切削狀態(tài)。由于現(xiàn)代數(shù)控車床一般均安裝有限位開關，刀具與機床其他部件碰撞的可能性是非常小的。一般數(shù)控車床的撞刀絕大多數(shù)發(fā)生在刀具與工件之間。撞刀事故的發(fā)生，不僅造成刀具及工件的損毀偶爾的人身傷害，而且對價格昂貴的數(shù)控車床的危害也極大，嚴重的可造成數(shù)控車床的報廢。數(shù)控車床的仿真軟件，對于數(shù)控車床的安全運行提供了很大的幫助，但不能完全消除撞刀事故的發(fā)生。因此，怎樣避免撞刀一直都是數(shù)控車床操作人員重點考慮的問題，特別對初學者來說，撞刀問題對他們造成了巨大的心理壓力，非常不利于我國數(shù)控技術人員的培養(yǎng)。
[0003]撞刀事故的發(fā)生主要原因有2點:
一是程序指令不熟悉
由于歷史原因，社會上現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)種類較多。相同的指令，在不同的系統(tǒng)，可能有著完全不同的意義和用法。初學者由于對系統(tǒng)知識掌握、記憶不牢靠，在編程時張冠李戴，極易將不同系統(tǒng)中的指令混用。還有是對指令含義理解不透，不了解同行程序中不同指令執(zhí)行的先后順序。
[0004]二是實際加工模型與編程模型脫節(jié)
對于一個零件的加工，在編制程序時其實就已經確定了一個相應的虛擬加工模型，如程序的編程零點、加工的起刀點位置、工件的裝夾長度及直徑、每把刀的刀編號等。因此在機床實際操作中，應注意將機床的實際設定與編程時的虛擬設定嚴格統(tǒng)一，任何加工中的實際設定與編程的虛擬設定矛盾均有可能導致撞刀事故。如編程時以工件右端面軸心作為編程零點，而在進行實操加工時將卡盤端面中心設定為零點。

【發(fā)明內容】

[0005]為克服上述的技術缺點，本發(fā)明提供一種數(shù)控車床防撞刀系統(tǒng)及其判定方法。它通過在刀架上設置鏡面反射式光電開關檢測車刀位置，判斷刀架是否進入可能發(fā)生撞刀的警戒區(qū)域，再進一步判斷刀具移動的速度和方向，從而判定刀具是否會發(fā)生撞刀事故，并在撞刀前進行緊急制動。
[0006]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方法是:一種數(shù)控車床防撞刀系統(tǒng)，包括一個刀架及裝夾好工件的車床，在刀架的中部設置有一個鏡面反射光電開關，刀架上裝夾用于切削工件的粗車刀，車床通過卡盤固定被切削工件，車床在X軸和Y軸方向上各設有一個反光板，刀架通過步進電動機實現(xiàn)移動，刀架上的鏡面反射光電開關通過車床X軸和Y軸上反光板反射的光信號對刀架位置進行檢測。并通過控制系統(tǒng)讀取數(shù)控車床的脈沖信號機電平高低進一步判斷刀具移動的速度和方向，從而判定刀具是否會發(fā)生撞刀事故，并在撞刀前進行緊急制動。
[0007]該數(shù)控車床防撞刀系統(tǒng)的判定方法，其步驟是:
1、對數(shù)控系統(tǒng)車刀在Y軸位置的判定，當?shù)都芤苿拥侥骋惶帟r，鏡面反射光電開關接收到Y軸反射板反射的光信號，系統(tǒng)判定此時粗車刀處于Y軸的警戒區(qū)域，系統(tǒng)設計有隔時基檢測的濾波電路，防止長切肩對信號檢測的影響；
2、對數(shù)控系統(tǒng)車刀在X軸位置的判定，當?shù)都芤苿拥侥骋惶帟r，鏡面反射光電開關接收到X軸反射板反射的光信號，系統(tǒng)判定此時粗車刀處于X軸的警戒區(qū)域，系統(tǒng)設計有隔時基檢測的濾波電路，防止長切肩對信號檢測的影響；
3、對車刀在X、Y軸的位置的判斷，系統(tǒng)均設計有隔時基檢測的濾波電路，防止長切肩對信號的影響，只有當粗車刀在X、Y軸上均處于警戒區(qū)域時，判定車刀相對工件處于雙軸警戒區(qū)域；
4、檢測粗車刀的移動方向，當系統(tǒng)判定粗車刀處于雙軸警戒區(qū)域時，檢測車刀運動方向信號，粗車刀運動方向信號只要檢測步進電動機方向信號的高低電平即可，對X軸，若步進電動機使車刀方向為遠離工件，則判定不會撞刀，對Y軸，若步進電動機使車刀方向為遠離工件，也判定不會撞刀，控制系統(tǒng)進入對車刀移動方向的循環(huán)檢測，當檢測到X、Y軸的車刀有一個方向為接近工件時，判定存在撞刀的可能，系統(tǒng)進入下一個環(huán)節(jié)檢查；
5、檢測刀具移動速度，通過測定X軸及Y軸步進電機的脈沖信號頻率檢測車刀移動速度。若檢測刀具移動速度小于300mm/min，則判定移動速度為進給速度，控制系統(tǒng)返回步驟4繼續(xù)做作循環(huán)檢測；若檢測刀具快速移動大于1000mm/min時，則判定該速度為快速進給，從而判定要發(fā)生撞刀事故，控制系統(tǒng)控制發(fā)出警報并實現(xiàn)步進電動機鎖相制動；
6、步進電動機快速制動，實現(xiàn)步進電動機的鎖相，只須在出現(xiàn)“撞刀”狀態(tài)后的瞬間，切斷步進電動機伺服驅動的脈沖信號輸入，則機床控制系統(tǒng)將自動實現(xiàn)電動機的單相鎖相；
7、控制系統(tǒng)急停后的后續(xù)處理，當中斷控制脈沖時，步進電動機從同步狀態(tài)急劇減速到停車鎖定，這個穩(wěn)定同步狀態(tài)時的頻率稱為穩(wěn)定極限剎車頻率，高于這個頻率時，會導致脈沖丟失現(xiàn)象，導致車刀刀尖實際坐標與設定坐標不符，步進電動機的這種在高頻下剎車丟步的特性，在控制系統(tǒng)的應用中應該引起注意。當機床在自動加工過程中出現(xiàn)“撞刀”而停車后，應首先按機床的進給暫停健，退出機床加工狀態(tài)，并對單片機控制系統(tǒng)復位后，手動退出車刀，分析撞刀事故原因，做出更正，重新設定工件坐標系，方可繼續(xù)加工工件。
[0008]所述X軸、Y軸反光板分別安裝在車床主軸箱及車床后擋板上。
[0009]所述鏡面反射光電開關內置有發(fā)射裝置及接受裝置。
[0010]所述X軸、Y軸反光板安裝均高于卡盤及工件，卡盤及工件不會影響到鏡面反射光電開關。
[0011]所述X軸、Y反光板的位置可以根據(jù)工件的大小長度及裝刀后的位置進行人工調整，保證警戒區(qū)域的準確性。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明部分內容已發(fā)表論文，其中與“經濟型數(shù)控車床步進電動機制動距離實驗研究”(文獻I)及“數(shù)控車床撞刀事故的研究與解決”(文獻2)的不同在于: (I)文獻I對刀具與工件距離是接觸式的信號檢測，缺少緊急制動所需的緩沖距離，不能防止撞刀的發(fā)生，只能減少撞刀事故帶來的損失，且要求工件要與卡盤絕緣裝夾，加工中不能使用切削液。
[0013](2)文獻I中缺少緊急制動所需的緩沖距離，為了更快處理信號而采用CPLD進行控制，本專利可預留較大的緩沖制動距離，采用單片機控制，成本更低廉；
(3)文獻2由于信號檢測原理導致沒有刀具停車的緩沖距離，為能快速制動以減小碰撞事故弓丨起的損失，顧采用三相鎖相制動。但三相鎖相需要對原機床電路板進行修改，技術難度較大且容易引起系統(tǒng)故障的風險，增加運營成本。本專利設計采用單相鎖相，只要切斷脈沖信號即可實現(xiàn)，不存在上述問題。
[0014]與文獻3 “基于PLC的數(shù)控車床防撞刀系統(tǒng)設計”不同在于:
(1)文獻3采用電渦流式傳感器對刀具與工件的距離進行檢測，現(xiàn)實中由于切削液及鐵肩等因素的影響效果不好。而本發(fā)明采用光電傳感器進行檢測，檢測更為可靠，且排除了切削肩及切削液對檢測系統(tǒng)的影響；
(2)文獻3采用PLC進行控制，本專利采用單片機控制，成本遠低于PLC。
[0015]本發(fā)明能夠有效防止粗車刀撞刀事故問題的發(fā)生，具有準確性強、檢測可靠、成本低廉等特點。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明結構示意圖。
[0017]圖中:1-刀架，2-工件，3-卡盤，4-主軸箱側板，5-Y軸反光板，6-車床后擋板，7-鏡面反射光電開關，8-粗車刀，9-雙軸警戒區(qū)域，1-X軸反光板。
【具體實施方式】
[0018]
下面結合實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0019]參見圖1，一種數(shù)控車床防撞刀系統(tǒng)，包括一個刀架I及一個固定工件2的卡盤3，在刀架I的中部設置有一個鏡面反射光電開關7，刀架I裝有粗車刀8，在車床主軸箱安裝X軸反光板10，在車床后擋板處安裝Y軸反光板5，當車刀移動時，通過刀架I上的鏡面反射光電開關7是否會接收到車床X軸和Y軸上反光板的信號對車刀位置進行判別。
[0020]該數(shù)控車床防撞刀系統(tǒng)的判定方法，其步驟是:
1、對數(shù)控系統(tǒng)車刀在Y軸位置的判定，當?shù)都躀移動到達圖中虛線I處時，鏡面反射光電開關7接收到Y軸反光板反射的光信號，系統(tǒng)判定此時粗車刀8處于Y軸的警戒區(qū)域，系統(tǒng)設計有隔時基檢測的濾波電路，防止長切肩對信號的影響；
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