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数控加工过程容易出现撞刀事故，特别是在数控技能人才的培训过程中，学员缺乏数控操作的实际经验与系统的理论知识，更容易导致撞刀事故发生。撞刀事故不仅可能对昂贵的数控机床设备造成危害，严重的话，可能造成数控机床的报废，更可怕的是可能造成人身伤害。因此，怎样防止撞刀事故的发生，一直都是从事数控机床技术人员重点考虑的问题之一。
 

1 撞刀信号的检测

　　所谓数控机床撞刀，指的是由于各种错误而导致刀具以非正常切削速度(一般是G00指令快速移动)与工件或机床其他部件发生的碰撞。要防止撞刀事故的发生，可以考虑使用接近开关对刀具与工件的位置关系进行判断，并检测此时车刀的移动速度和方向，以此通过判别。当判别到刀具与工件距离在警戒范围内，且刀具快速移动朝向工件时，就认为要发生撞刀事故。此时，控制系统发生动作，并实现电机制动。信号检测方法如下。

　　
1.1 用接近开关对刀具与工件的位置关系进行判断

　　由电磁场理论可知，在受到时变磁场作用的任何导体中，都会产生电涡流。据此原理可自制金属传感器电路。在图1中，电路由振荡电路、比较电路和整形电路三部分组成。将车刀套入传感器线圈中，检测电路接通电源后，线圈振荡产生一个交变磁场，金属工件在此磁场中移动时产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，衰减量的变化正比于金属工件和车刀的距离。振荡电路的输出幅值经过比较器进行比较，比较后的输出信号经过整形电路整形，可直接输入控制电路进行检测状态的判别。电涡流式传感器的灵敏度和线性范围与线圈产生的磁场强度和分布状况有关。接近开关的警戒距离可以通过调整传感器线圈的尺寸、形状及图1中R1的电阻来实现调节。

图1接近开关电路原理图

　　
1.2 用HC对车刀运动方向信号及速度信号进行检测

　　检测车刀运动方向信号只要检测步进电机方向信号的高低电平即可。

　　而速度信号的检测，首先是采集驱动步进电机的脉冲信号，并在1个时基内采用PLC的高速脉冲计数器对该脉冲信号进行记数，将所记数与寄存器设定值比较，当1个时基内所记数大于设定值时，就可输出开关量。

 2 防撞刀系统控制方案

　　控制系统的设计可以利用PLC来实现。PLC是一种成熟的工业控制产品，内部有良好的光电隔离装置，抗干扰能力强，可靠性高，灵活性好，其接线与参数修改方便，对现场不同的实际情况可以及时地作出调整。

　　PLC控制系统选用FXlN-24M，其参数与性能为：14个输入点，其中X0～X5这6个端子为高速输入端子，10个输出点。单步步速0.55μs～0.7μs，应用指令数～数步速约为100 bts，继电器输出。根据控制要求，设计PLC的控制流程如图2所示。

 

图2 PLC控制流程图

　
PLC控制的梯形图如图3。接近开关检测信号由X10输入，X轴、y轴方向信号的高低电平分别由X11、X12端口输入。若X11、X10均处于高电平时，认为工件处于接近开关警戒距离，且车刀向工件方向运动，此时执行SPD指令，检测车床X轴速度。数控系统发出的脉冲信号由PLC的X0端子输入，并在1个时基内记数为DO，随后执行CMP比较指令，当DO大于设定的比较常数值K=3时，系统判别车刀速度为快速移动，数控车床处于要撞刀状态，输出M0高电平信号，并转跳到P20，从而Y1输出高电平。若DO小于设定的比较常数值K=3，则说明X轴方向处于正常状态，程序继续往下运行。

 

图3 PLC编程梯形图

　　
若X12、X10均处于高电平，同样执行SPD指令，车床Z轴相应的脉冲信号由PLC的X2端子输入，并在1个时基内记数为D3，随后执行CMP比较指令，当D3大于设定的比较常数值K=3时，同样输出M3高电平信号，从而Y1输出高电平。若D3小于设定的比较常数值K=3，则说明Z轴方向处于正常状态，程序结束，进入下一个检测周期。

　　Y1接通后进一步使继电器(带自锁功能)的线圈接通，从而切断X轴、y轴步进电机的脉冲控制信号。当脉冲信号输入被切断时，X轴、y轴步进电机自动进入锁相状态，约1 s后进入半流锁相。Y2用于报警输出。

　　
程序设计的一些说明。

　　1)关于高速输入端子。对于选用的FXlN-24M来说，不同输入端子的输入频率上限是不同的：低的，如X4、X5只有7kE引。如对GSK928TA数控车来说，刀架快速移动的速度设置为3 000mm／min时，此时其对应的数控系统的输出频率为5 333 Hz，并不超过PLC的X4、X5端口的频率上限7 kHz。若数控系统的CPU指令发出的脉冲信号频率超过PLC的X4、X5端口的高频率7k，其后果只会导致脉冲信号丢失漏记，不会影响到PLC对电机转速或刀具移动速度是否为“快速”的判断。

　　2)关于CMP指令中比较常数K值的设定问题。对于GSK928TA的Z轴，数控车Z轴的脉冲当量为0．01 mm，当快速进给的速度为1 000mm／mim时，即要求在1 min的时间内发出1×105个脉冲，即脉冲频率应为1 777．7 Hz，这样在5 ms内可检测的脉冲个数约为9个。由于切削进给速度一般在150 mm／min以下，此时在时基常数K设定为5 ms的时基内可检测的脉冲个数多只有2个。考虑留有一定的安全裕度，在这里设定比较常数K值为3，实际过程中可根据实际随时通过修改程序进行调整。

　　X轴基于与Z轴类似的分析，同样设定比较常数K值为3。

　　程序在系统控制试验中运行正确。

 　　
接近开关警戒距离的设计

　　当控制系统判别要出现撞刀事故时，此时电机应进行紧急制动。为防止撞刀，显然应要求系统总的制动距离小于警戒距离。接近开关警戒距离主要根据系统总的制动距离来进行设定。

　　系统总的制动距离A由2个因素决定：一是控制系统的响应延时；二是克服执行机构惯性所必须的制动距离。响应延时的大小与具体的控制系统设计息息相关，而制动距离除与惯性大小有关外，还与其制动力矩有很大的关系。下面对此做出进一步的分析。

　　　3.1.2 功放电路中锁相延时td2

　　在功放电路中，各个晶体管的开通时间一般在1tds以下，光耦PC上升速度响应时间约为几十微秒，若采用高速光耦则只需几微秒。因此功放电路中锁相延时主要是锁相电流的上升时间，对于步迸电机绕组，锁相电流的上升时间t可由公式(1)计算：

 

　　式中：i为电机锁相电流，亿为绕组驱动电压，Rα为绕组电阻和限流电阻之和，L为绕组电感。对于GSK928TA的Z轴电机，采用DF3A系列驱动器，其Vα=310 V，R。为3.5 Q，由此可计算得t为0.486 ms。据此估算屯：约为0.5 ms。

　　3.2 步进电机制动距离分析

　　步进电机制动距离与具体电机种类、型号及执行机构惯量等有关，下面以GSK928TA数控车系统的三相反应式步进电机为例分析其制动问题。

　　对于步进电机，当电机转过1相绕组时存入电动机中的磁能为

要有一支具有一定技术水平，熟悉设备情况，掌握设备工作原理的检修队伍。
• 对检修工作要定为一个制度，按期执行。每个PLC都有确定的检修时间。一般以每6个月～1年1次。
1 定期检修的内容如表所示。


应该说PLC是一个可靠性、稳定性极高的控制器。只要按照其技术规范安装和使用，出现故障的概率极低。但是，一旦出现了故障，一定要按上述步骤进行检查、处理。特别是检查由于外部设备故障造成的损坏。一定要查清故障原因，待故障排除以后再试运行。
2 可编程序控制器的故障处理指南
对于具体的PLC的故障检查可能有一定的特殊性。下面给出了有关PLC的故障检查和处理方法。见表。

PLC的输出类型有继电器和晶体管两种类型，两者的工作参数差别较大，使用前需加以区别，以免误用而导致产品损坏。本文简要介绍了继电器和晶体管输出的特点及使用中的注意事项。

 继电器和晶体管输出工作原理

　　继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的（如图1所示）。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。从继电器的工作原理可以看出，它是一种机电元件，通过机械动作来实现触点的通断，是有触点元件。

晶体管是一种电子元件，它是通过基极电流来控制集电极与发射极的导通。它是无触点元件。

继电器与晶体管输出的主要差别

　　由于继电器与晶体管工作原理的不同，导致了两者的工作参数存在了较大的差异，下面以艾默生EC系列PLC相关数据为例进行比较说明（输出口主要规格参见表1）

　　（1）驱动负载不同

　　继电器型可接交流220V或直流24V负载，没有极性要求；晶体管型只能接直流24V负载，有极性要求。

　　继电器的负载电流比较大可以达到2A，晶体管负载电流为0.2-0.3A。同时与负载类型有关，具体参见表1。

　　表1 输出端口规格

    2）响应时间不同

　　继电器响应时间比较慢（约10ms-20ms），晶体管响应时间比较快，约0.2ms-0.5ms，Y0、Y1甚至可以达到10 us。

　　（3）使用寿命不同

　　继电器由于是机械元件受到动作次数的寿命限制，且与负载容量有关，详见表2，从表中可以看出，随着负载容量的增加，触点寿命几乎按级数减少。晶体管是电子原件只有老化，没有使用寿命限制。

　　表2 继电器使用寿命

继电器与晶体管输出选型原则

　　继电器型输出驱动电流大，响应慢，有机械寿命，适用于驱动中间继电器、接触器的线圈、指示灯等动作频率不高的场合。晶体管输出驱动电流小，频率高，寿命长，适用于控制伺服控制器、固态继电器等要求频率高、寿命长的应用场合。在高频应用场合，如果同时需要驱动大负载，可以加其他设备（如中间继电器，固态继电器等）方式驱动。

驱动感性负载的影响

　　

　　图2 驱动感性负载时产生的瞬间高压

　　继电器控制接触器等感性负载的开合瞬间，由于电感具有电流具有不可突变的特点，因此根据U=L*（dI/dt），将产生一个瞬间的尖峰电压在继电器的两个触点之间，该电压幅值超过继电器的触点耐压的降额；继电器采用的电磁式继电器，触点间的耐受电压是1000V（1min），若触点间的电压长期的工作在1000V左右的话，容易造成触点金属迁移和氧化，出现接触电阻变大、接触不良和触点粘接的现象。而且动作频率越快现象越严重。瞬间高压如下图2所示，持续的时间在1ms以内，幅值为1KV以上。晶体管输出为感性负载时也同样存在这个问题，该瞬时高压可能导致晶体管的损坏。

　　因此当驱动感性负载时应在负载两端接入吸收保护电路。当驱动直流回路的感性负载（如继电器线圈）时，用户电路需并联续流二极管（需注意二极管极性）；若驱动交流回路的感性负载时，用户电路需并联RC浪涌吸收电路，以保护PLC的输出触点。PLC输出触点的保护电路如图3所示。

　　

　　图3 PLC输出触点的保护电路

使用中应注意的事项

　　目前市场上经常出现继电器问题的客户现场有一个共同的特点就是：出现故障的输出点动作频率比较快，驱动的负载都是继电器、电磁阀或接触器等感性负载而且没有吸收保护电路。因此建议在PLC输出类型选择和使用时应注意以下几点：

　　（1）一定要关注负载容量。输出端口须遵守允许大电流限制（如表1所示），以保证输出端口的发热限制在允许范围。继电器的使用寿命与负载容量有关，当负载容量增加时，触点寿命将大大降低（如表2所示），因此要特别关注。

　　（2）一定要关注负载性质。根据第4节的分析，感性负载在开合瞬间会产生瞬间高压，因此表面上看负载容量可能并不大，但是实际上负载容量很大，继电器的寿命将大大缩短，因此当驱动感性负载时应在负载两端接入吸收保护电路。尤其在工作频率比较高时务必增加保护电路。从客户的使用情况来看，增加吸收保护电路后的改善效果十分明显。

　　根据电容的特性，如果直接驱动电容负载，在导通瞬间将产生冲击浪涌电流，因此原则上输出端口不宜接入容性负载，若有必要，需保证其冲击浪涌电流小于规格（见表1）说明中的大电流。

　　（3）一定要关注动作频率。当动作频率较高时，建议选择晶体管输出类型，如果同时还要驱动大电流则可以使用晶体管输出驱动中间继电器的模式。当控制步进电机/伺服系统，或者用到高速输出/PWM波，或者用于动作频率高的节点等场合，只能选用晶体管型。PLC对扩展模块与主模块的输出类型并不要求一致，因此当系统点数较多而功能各异时，可以考虑继电器输出的主模块扩展晶体管输出或晶体管输出主模块扩展继电器输出以达到佳配合。

　　事实证明，根据负载性质和容量以及工作频率进行正确选型和系统设计，输出口的故障率明显下降，客户十分满意