數控加工過程容易出現撞刀事故，特別是在數控技能人才的培訓過程中，學員缺乏數控操作的實際經驗與系統的理論知識，更容易導致撞刀事故發生。撞刀事故不僅可能對昂貴的數控機床設備造成危害，嚴重的話，可能造成數控機床的報廢，更可怕的是可能造成人身傷害。因此，怎樣防止撞刀事故的發生，一直都是從事數控機床技術人員重點考慮的問題之一。

1 撞刀信號的檢測

　　所謂數控機床撞刀，指的是由于各種錯誤而導致刀具以非正常切削速度(一般是G00指令快速移動)與工件或機床其他部件發生的碰撞。要防止撞刀事故的發生，可以考慮使用接近開關對刀具與工件的位置關系進行判斷，并檢測此時車刀的移動速度和方向，以此通過判別。當判別到刀具與工件距離在警戒范圍內，且刀具快速移動朝向工件時，就認為要發生撞刀事故。此時，控制系統發生動作，并實現電機制動。信號檢測方法如下。

　　1.1 用接近開關對刀具與工件的位置關系進行判斷

　　由電磁場理論可知，在受到時變磁場作用的任何導體中，都會產生電渦流。據此原理可自制金屬傳感器電路。在圖1中，電路由振蕩電路、比較電路和整形電路三部分組成。將車刀套入傳感器線圈中，檢測電路接通電源后，線圈振蕩產生一個交變磁場，金屬工件在此磁場中移動時產生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線性衰減，衰減量的變化正比于金屬工件和車刀的距離。振蕩電路的輸出幅值經過比較器進行比較，比較后的輸出信號經過整形電路整形，可直接輸入控制電路進行檢測狀態的判別。電渦流式傳感器的靈敏度和線性范圍與線圈產生的磁場強度和分布狀況有關。接近開關的警戒距離可以通過調整傳感器線圈的尺寸、形狀及圖1中R1的電阻來實現調節。

圖1接近開關電路原理圖

　　1.2 用HC對車刀運動方向信號及速度信號進行檢測

　　檢測車刀運動方向信號只要檢測步進電機方向信號的高低電平即可。

　　而速度信號的檢測，首先是采集驅動步進電機的脈沖信號，并在1個時基內采用PLC的高速脈沖計數器對該脈沖信號進行記數，將所記數與寄存器設定值比較，當1個時基內所記數大于設定值時，就可輸出開關量。

 2 防撞刀系統控制方案

　　控制系統的設計可以利用PLC來實現。PLC是一種成熟的工業控制產品，內部有良好的光電隔離裝置，抗干擾能力強，可靠性高，靈活性好，其接線與參數修改方便，對現場不同的實際情況可以及時地作出調整。

　　PLC控制系統選用FXlN-24M，其參數與性能為：14個輸入點，其中X0～X5這6個端子為高速輸入端子，10個輸出點。單步步速0.55μs～0.7μs，應用指令數～數步速約為100 bts，繼電器輸出。根據控制要求，設計PLC的控制流程如圖2所示。

圖2 PLC控制流程圖

　　PLC控制的梯形圖如圖3。接近開關檢測信號由X10輸入，X軸、y軸方向信號的高低電平分別由X11、X12端口輸入。若X11、X10均處于高電平時，認為工件處于接近開關警戒距離，且車刀向工件方向運動，此時執行SPD指令，檢測車床X軸速度。數控系統發出的脈沖信號由PLC的X0端子輸入，并在1個時基內記數為DO，隨后執行CMP比較指令，當DO大于設定的比較常數值K=3時，系統判別車刀速度為快速移動，數控車床處于要撞刀狀態，輸出M0高電平信號，并轉跳到P20，從而Y1輸出高電平。若DO小于設定的比較常數值K=3，則說明X軸方向處于正常狀態，程序繼續往下運行。

圖3 PLC編程梯形圖

　　若X12、X10均處于高電平，同樣執行SPD指令，車床Z軸相應的脈沖信號由PLC的X2端子輸入，并在1個時基內記數為D3，隨后執行CMP比較指令，當D3大于設定的比較常數值K=3時，同樣輸出M3高電平信號，從而Y1輸出高電平。若D3小于設定的比較常數值K=3，則說明Z軸方向處于正常狀態，程序結束，進入下一個檢測周期。

　　Y1接通后進一步使繼電器(帶自鎖功能)的線圈接通，從而切斷X軸、y軸步進電機的脈沖控制信號。當脈沖信號輸入被切斷時，X軸、y軸步進電機自動進入鎖相狀態，約1 s后進入半流鎖相。Y2用于報警輸出。

　　程序設計的一些說明。

　　1)關于高速輸入端子。對于選用的FXlN-24M來說，不同輸入端子的輸入頻率上限是不同的：最低的，如X4、X5只有7kE引。如對GSK928TA數控車來說，刀架快速移動的速度設置為3 000mm／min時，此時其對應的數控系統的輸出頻率為5 333 Hz，并不超過PLC的X4、X5端口的頻率上限7 kHz。若數控系統的CPU指令發出的脈沖信號頻率超過PLC的X4、X5端口的最高頻率7k，其后果只會導致脈沖信號丟失漏記，不會影響到PLC對電機轉速或刀具移動速度是否為“快速”的判斷。

　　2)關于CMP指令中比較常數K值的設定問題。對于GSK928TA的Z軸，數控車Z軸的脈沖當量為0．01 mm，當快速進給的速度為1 000mm／mim時，即要求在1 min的時間內發出1×105個脈沖，即脈沖頻率應為1 777．7 Hz，這樣在5 ms內可檢測的脈沖個數約為9個。由于切削進給速度一般在150 mm／min以下，此時在時基常數K設定為5 ms的時基內可檢測的脈沖個數最多只有2個。考慮留有一定的安全裕度，在這里設定比較常數K值為3，實際過程中可根據實際隨時通過修改程序進行調整。

　　X軸基于與Z軸類似的分析，同樣設定比較常數K值為3。

　　程序在系統控制試驗中運行正確。

 　　接近開關警戒距離的設計

　　當控制系統判別要出現撞刀事故時，此時電機應進行緊急制動。為防止撞刀，顯然應要求系統總的制動距離小于警戒距離。接近開關警戒距離主要根據系統總的制動距離來進行設定。

　　系統總的制動距離A由2個因素決定：一是控制系統的響應延時；二是克服執行機構慣性所必須的制動距離。響應延時的大小與具體的控制系統設計息息相關，而制動距離除與慣性大小有關外，還與其制動力矩有很大的關系。下面對此做出進一步的分析。

　　3.1 控制方案響應延時分析

　　所謂響應延時，指的是上述撞刀的2個條件形成后到控制系統作出反應，切斷數控系統發出的脈沖指令并對伺服電機進行制動所需要的時間。控制方案的響應時間t_d包括PLC的響應時間幻-及功放電路中鎖相延時t_d2。

　　3.1.1 PLC的響應延時tdl

　　把PLC的響應時間分為三大部分，即輸入信號滯后延時、PLC的掃描周期及輸出信號的滯后延時。

　　1)輸入信號滯后延時t1。指的是將外部的輸

　　人信號狀態讀入到PLC的輸入寄存器所需要的時間。由于輸入的一次回路和二次回路間用光電耦合器進行絕緣隔離，二次回路中設有C—R濾波器。這是為了防止由輸入接點振動的或輸入線混入噪音，引起誤操作而設置的。由于電路中的C—R濾波器濾波常數一般為10 ms，該濾波常數造成在可編程控制器內部響應時間滯后，約為10 ms。

　　2)掃描周期的計算￡。。嚴格說來，在PLC的實際工作中，每個掃描周期除了輸入采樣、程序執行、輸出刷新之外，還要進行自診斷、與外設(如上位計算機)通信處理。參考圖3所示梯形圖：程序指令的響應時間為肛s級，這里予以忽略。但由于SPD指令為自動中斷指令，系統在執行SPD指令前需自動運行中斷子程序。X0、X2由于使用SPD指令中時基的選擇為5 ms，所以2個SPD指令所需的中斷時間約為10 ms。故程序掃描周期約為10 ms。自診斷所需要的時間為0.96 ms。

　　因PLC運行時不與外設通信，所以通信時間為0。

　　這樣運行一個掃描周期t：為上述各項之和，即t2約為11 ms。

　　3)輸出信號滯后延時t3。對于繼電器輸出，其響應時間約為10 ms，而對于晶體管輸出，其響應時間在1 ms以下。

　　控制系統的響應延時L。為上述三大部分響應時間的總和，即繼電器輸出時，響應延時約為32ms，晶體管輸出時，響應延時約為23 ms。

　　3.1.2 功放電路中鎖相延時t_d2

　　在功放電路中，各個晶體管的開通時間一般在1tds以下，光耦PC上升速度響應時間約為幾十微秒，若采用高速光耦則只需幾微秒。因此功放電路中鎖相延時主要是鎖相電流的上升時間，對于步迸電機繞組，鎖相電流的上升時間t可由公式(1)計算：

　　式中：i為電機鎖相電流，億為繞組驅動電壓，Rα為繞組電阻和限流電阻之和，L為繞組電感。對于GSK928TA的Z軸電機，采用DF3A系列驅動器，其Vα=310 V，R。為3.5 Q，由此可計算得t為0.486 ms。據此估算屯：約為0.5 ms。

　　3.2 步進電機制動距離分析

　　步進電機制動距離與具體電機種類、型號及執行機構慣量等有關，下面以GSK928TA數控車系統的三相反應式步進電機為例分析其制動問題。

　　對于步進電機，當電機轉過1相繞組時存入電動機中的磁能為

　　式中：L為相繞組的自感，i為通入繞組中的電流。

　　制動過程剛好與啟動過程相反，因此，從理論上說可以參照啟動的分析去處理，即若步進電機處于單相鎖相制動時，轉子每轉過一個齒角，即就會消耗“轉子”(包括電機轉子及其連接部件，下同)W的能量。根據能量守恒原理，分析步進電機的制動距離，可以考慮從脈沖指令被截止后“轉子”的能量需要轉過幾個齒角才能被消耗完來求得。

　　根據能量守恒原理可得：

　　3.3 車刀總制動距離的計算

　　若考慮控制系統的響應延時，則車刀總的制動距離A為：

　　根據式(6)，以GSK928TA數控車Z軸為例，步進電機型號110BC3100C。

　　轉子齒數Z為100，定子每相繞組電感L為18mH，鎖相電流i=8 A，絲桿螺距S-6 mm。工作臺重量Mg為140 kg，電機轉子及執行機構的轉動慣量td=1.73×10-4kg·m2。根據3.1控制方案響應延時分析，系統控制方案響應延時幻約為32.5 ms(繼電器輸出)，若車刀速度Vf=2 000 mm／min時，車刀總制動距離A=3.7 mm。

　　上述對于步進電機在出現撞刀事故時總制動距離的分析，對于接近開關警戒距離的設計可起到理論指導作用。

4 結語

　　防撞刀控制系統的設計主要應用于新程序或數控技術人員的培訓中，改裝方便，只需在安裝車刀時套人接近開關線圈即可。實踐中可靈活使用，當確認機床操作無危險時，只須關斷PLC電源，防撞刀系統停止工作，不會對機床的正常使用有任何影響。

　　若從經濟角度考慮，還可以使用一臺PLC同時控制若干臺車床的防撞刀系統，當然這樣會導致控制系統響應時間加長.另外，由于步進電機有在高頻下剎車丟步的特性，在實際應用中應加以注意，即每次出現撞刀狀態而導致程序運行中斷時，應通過車床復位鍵復位，并重新設定程序零點。