预防数控车床刀架电机与尾座碰撞的控制方案

黄庆专，伊艺琼，程志杰

(福建电力职业技术学院，福建泉州 362000)

关于机械制造类专业职业教育，数控车床编程与加工实训项目非常普及，学生在编程与操作上时常忘记尾座存在，出现机床刀架电机与尾座碰撞事故，引起电机损坏、刀架变形、传动蜗杆变形、定位轴承松动等。通过分析故障现象、碰撞特点、碰撞范围等，提出增加行程开关、改进控制电路等防撞方案，使数控车床滑台上刀架与尾座在碰撞前停止并报警“超限位”。

1 故障分析

尾座与防尘罩在机床上的位置关系，刀架-X轴、+Z 轴运动方向，如图1 所示。

图1 尾座与刀架电机防尘罩

故障现象一:+Z 方向撞尾座，在X 轴未回零或+X 方向未先移动到尾座范围外时，移动+Z 方向发刀架电机(防尘罩)碰撞尾座。

故障现象二:-X 方向撞尾座，当刀架在+Z 方向越过尾座范围内时，向-X 方向移动刀架发生刀架电机(防尘罩)碰撞尾座。

正确的操作避免故障:(1)车床上不使用尾座或是将尾座移到刀架电机移动范围外;(2)针对故障现象一，向+X 方向移动刀架(或回零)使刀架电机在尾座范围外，再向+Z 方向移动刀架;(3)针对故障现象二，先向-Z 方向移动刀架，使刀架电机到尾座范围外，才向-X 方向移动刀架。

显然尾座是必须附件，作为初学者或机床操作工工作中疏忽尾座位置，刀架电机与尾座碰撞事故定然会发生。因此，许多职业院校实训基地的数控车床刀架电机(防尘罩)总是被尾座撞坏，见过刀架传动蜗杆被撞变形而只得更换。

2 避免碰撞方案设计

因此在数控车床上增加自动防撞功能较好。参照各个坐标轴行程的限位报警方案，当刀架电机靠近尾座时，采集-X 轴、+Z 轴靠近信号并反馈给NC 侧，由NC 控制电机停下来并发出报警提示。

设计方案如下:

(1)考察刀架电机及其防尘罩结构;

(2)试验电机防尘罩在X 轴、Z 轴方向移动时，存在碰撞尾座的范围;

(3)选用行程开关并进行试验性安装;

(4)参考X 轴、Z 轴限位控制电路，设计防撞控制电路，并试验接线;

(5)通过试验检验防碰撞功能，成功后，对安装与控制电路进行规范与紧固，否则调整安装位置或改电路。

2.1 碰撞物结构及碰撞位置分析

尾座碰撞存在两个面(不考虑套筒伸出时):Z轴平行面 (-X 碰撞面)，X 轴平行面 (+Z 碰撞面)。尾座结构如图2 所示。防尘罩结构如图3 所示，存在碰撞的两个面都是平面，上表面虽不是碰撞面，但是与两个碰撞面相连，适合安装行程开关［1］。

图2 尾座上的两个碰撞面

图3 防尘罩的两个碰撞面

从碰撞试验中发现，+Z 方向碰撞面范围较小，受-X 方向限位开关的限制，防尘罩进入-X 方向较小;而-X 方向碰撞面范围较大，整个防尘罩的内侧面都可以撞到。

2.2 控制元件安装位置

理论上，行程开关直接安装在两个碰撞面上更好:尾座两个面或防尘罩两个面，或在尾座和防尘罩混合安装。实际上，安装在尾座上，不方便接线的随动，不用尾座时接线要拆除，而且尾座-X 方向碰撞面范围大，具体安装布置不好确定。因此行程开关安装在防尘罩上，布线可以与移动轴限位、刀架电机的接线一起移动。再者，考虑到刀架电机结构(图4)及占用的防尘罩内空间，罩内剩余空间很小，确定行程开关安装在防尘罩的上表面最为理想，把行程开关受动部位朝向两个碰撞面。通过试验最终确定如图5所示的安装位置，在防尘罩上方与+Z 向或-X 向成45°方向安装行程开关，采用两个串联的行程开关。工作台移动时，无论是+Z 方向或-X 方向均是行程开关先于防尘罩与尾座相撞。

图4 电机结构与剩余空间

图5 行程开关安装位置

2.3 控制接线设计与试验

设计是针对型号CAK3665sj 数控车床(配备华中HNC-21T 数控系统)进行的。新增两个行程开关，+Z 方向防撞SQ7 和-X 方向防撞SQ8。机床使用X轴、Z 轴限位开关汇总如表1 所示［2］。

表1 CAK3665sj 数控车床使用X 轴、Z 轴限位开关

(1)控制电路分析与改进

原超程与回零控制电路图及超程解除电路图如图6 所示［2］。

图6 原回零、坐标限位及解除电路图

在+Z 向限位SQ5 常开触点回路上并联+Z 向防撞SQ7 常开触点，-X 向限位SQ4 常开触点回路上并联-X 向防撞SQ8 常开触点;SQ7 与SQ8 的常闭触点一同串联在SQ3、SQ4、SQ5、SQ6 常闭回路上［3］，如图7 所示，从而实现+Z 向防撞SQ7 或-X 向防撞SQ8 常开触点闭合产生超程报警，+Z 向防撞SQ7 或-X 向防撞SQ8 常闭触点断开向NC 反馈信号，控制刀架停止移动，避免碰撞尾座。

图7 刀架电机防尘罩防撞尾座改进电路图

(2)试验检验

根据改进的电路图，完成-X 向与+Z 向附加防撞超程限位开关的电路接线，接线在X 轴、Z 轴限位回零行程开关接线端子上完成，如图8 所示。通过实际碰撞演示(图9)发现:工作台移动时，+Z 方向或-X 方向行程开关先于防尘罩与尾座相撞，行程开关起保护作用，可靠发出+Z 向超程报警或-X 向超程报警，使工作台移动得到控制，避免防尘罩(甚至刀架电机)与尾座碰撞而损坏。

图8 +Z 方向防撞接线实物图

图9 +Z 方向碰撞报警试验

3 小结

对车床方刀架电机与尾座碰撞事故进行研究，确定碰撞事故发生的范围，参考机床本身超程报警控制，设计一种预防刀架电机及其防尘罩与尾座碰撞的工作台移动控制方式，-X 与+Z 方向防撞控制均采用行程开关与尾座碰撞发出信号，行程开关安装在-X向与+Z 向之间45°角位置。最终通过实践检验该设计的可靠性。

［1］沈阳机床股份有限公司数控刀架分公司.SLD90 立式数控电动刀架使用说明书(机械与电气)［M］，2013.

［2］沈阳机床股份有限公司沈一车床厂.CAK36S 系列数控车床电路图册(系统型号:HNC-21T)［M］，2013.

［3］陈亭志，孙海亮.数控机床的电气维护与检查［M］.北京:电子工业出版社，2011.