一种数控机床用安全监控模块的研究

工业控制与应用IndustryControlandApplications

一种数控机床用安全监控模块的研究

胡进芳,孔猛,姜飞

（山东莱恩光电科技股份有限公司，山东济宁272100）

摘

要:本文对一种数控机床用安全监控模块进行了详细探讨，以单片机系统为核心电路器件，研究了安全模块开关监控、速度检

测、冗余安全控制输出等功能的设计与实现，主要包括结构设计、硬件电路设计和软件设计等内容。该模块可用于监控数控机床的急停按钮、安全门开关、模式开关和主轴转速，通过逻辑处理并输出安全信号，对机床涉及安全的功能进行控制，有可效提高机床的本质安全性，避免工伤事故的发生。

关键词:单片机系统;速度监控;冗余安全控制回路中图分类号：TP277

文献标志码:A

文章编号:1003-7241(2019)12-0038-07

ResearchonASafetyMonitoringModuleforCNCMachineTools

HUJin-fang,KONGMeng,JIANGFei

(ShandongLaienOptic-electronicTechnologyCo.,Ltd.,Jining272100China)

Abstract:Inthispaper,akindofsafetymonitoringmoduleforCNCmachinetoolisdiscussedindetail.Withthesingle-chipmicro-computerasthecorecircuitdevice,thedesignandimplementationoftheswitchmonitoring,speeddetectionsystemandredundantsecuritycontroloutputofthesafetymodulearestudied.Itmainlyincludesstructuredesign,hardwarecircuitde-signandsoftwaredesignandsoon.Thismodulecanbeusedtomonitortheemergencystopbutton,safetydoorswitch,modeswitchandspindlespeedofCNCmachinetool.Throughlogicprocessingandoutputofsafetysignal,thesafetyfunctionofmachinetoolcanbecontrolled,whichcaneffectivelyimprovetheessentialsafetyofmachinetoolandavoidtheoccurrenceofworkaccidents.

Keywords:MCUsystem;speedmonitoring;redundantsafetycontrolloop

1引言

数控机床是先进制造技术的基础装备，也是机械加工行业的重要设备和手段，随着微电子技术、计算机技术、自动化技术的发展，数控机床控制技术也得到了飞速发展，数控机床的功能和应用领域也快速扩充。随着机床加工自动化程度的提高，关于机械安全的要求也在不断提高。机床在工作时工件或刀具高速旋转，机床操作人员在工作时存在一定安全隐患，为确保人员及设备安全，需要对主轴转速、安全门状态、停止按钮等参数进行监控，并可靠的反馈给机床控制系统。本安全控制模块具备速度监控、急停监控、安全门监控、EDM监控等功能，并可以实现连锁、互锁、自检功能，通过冗余安全控制回

收稿日期:2019-03-12

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TechniquesofAutomation&Applications路实现机床本质安全性的提升。解决了目前中低端数控系统安全性欠缺，具备安全功能的高端系统成本过高的问题，填补了市场空白。

2控制模块结构与安全功能设计

2.1

整体结构

考虑安全、安装及通用性要求，采用塑料壳体结构，通过通用电气导轨安装，整体尺寸为120*96*mm，如图1整体结构所示。

2.2安全功能设计

根据风险评估要求，数控机床在操作时，危险源为高

速转动的零件，加工零件完毕或加工过程中，工人会打开车床门，其操作频率较高，且一旦发生危险，会带来致命

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图1

的伤害。其对应的安全防护设施要求应具有较高的安全等级，所以，数控机床用安全监控模块必须设计为安全等级为四级的产品，即其性能等级要达到PLe。

整体结构

构，双通道监控，当发生单个故障时，系统的安全功能不会丧失，即必须采用ISO13849-1中指定的性能等级e的结构，如图2性能等级e电路结构所示。

在机床操作过程中，需要双手启动操作，机床在自动模式运行时，如果操作人员打开防护门，主轴转速应为0m/s；机床在调整模式运行时，如果操作人员打开防护门，主轴转速不能超过50m/s；出现紧急情况按下急停按钮时，车床能够紧急停止，这些安全功能的实现需要逐一对安全门开关、急停开关、双手按钮及主轴转速进行监控

图2性能等级e电路结构

6。本安全模块符合ENISO13849-1，IEC62061标准，达到PLe等级，可以实现以下功能：

①监控急停按钮（多组）、安全门开关（两常闭与急停分开）

②速度监控，编码器精度自适应③模式切换（安全模式和调整模式）

根据标准ENISO13849-1：2015要求，对一个控制系统的安全评估需要从4个方面来衡量，这4个参数分别为：系统实现的安全等级PLr、系统平均无危险故障时间MTTFd、系统诊断检测范围DC、共因故障预防CCF。数控机床用安全监控模块的电路结构型式必须采用冗余结

图3安全监控模块电路结构

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④4个瞬时输出触点，2个延时输出触点，可以设置延时断开时间0-3S

⑤PNP输出，4个有源输出,分别对应输入的状态，便于区分触发停止的位置

测功能；可以实现输入输出状态指示，开机端口自检，线路结构如图3安全监控模块电路结构所示。

3.2电源电路设计

电源模块的稳定可靠是整个系统稳定运行的前提和

基础。数控车床用安全监控模块电源系统采用宽电压输

3安全监控模块电路设计

3.1

模块系统整体电路设计

根据模块功能要求，系统电路结构需要设计为冗余双路监控回路，因此，模块系统采用双MCU作为主控逻辑单元，并且输入和输出均采用双回路，一旦任何线路出现故障，系统将自动锁定，断开输出，并发出警告信息。冗余安全控制回路具有自检、互检功能，即使有一个元件损坏，安全功能仍然有效；在每个开关周期中通过正确的断开和闭合可以自动检测安全模块的安全功能；实时监测信号断路及短路功能；交叉短路检测功能；故障累积检

入的BD9E100FJ-LB，BD9E100FJ-LB是一个内置功率MOSFET的同步降压型电源管理单片集成电路，能够输出1A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，具有高速瞬态响应。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为1MHZ,与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。宽电压输入7V～40V，有效抑制输入电源的波动，并能够克服单片机受到干扰而造成程序跑飞的现象1。如图4电源系统电路所示。

3.3单片机系统电路设计

数控车床用安全监控模块单片机系统由系统时钟、

图4电源系统电路

图5

40

TechniquesofAutomation&Applications单片机系统电路

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图6输入信号电路

如图7旋转编码器信号采集电路所示。

复位电路和程序下载口组成，系统时钟采用11.0592MHz晶体振荡器，为系统提供可靠的时钟频率信号，复位电路为高电平复位，由Rm1和Cm1组成RC充放电回路，保证单片机在上电时具有足够的时间复位2。如图5单片机系统电路所示。

4软件设计

数控机床用安全监控模块软件采用C语言设计，通过软件对双手按钮、开关信号、编码器脉冲信号进行监控处理。

3.4开关信号输入处理电路设计

安全模块接入的开关信号为双路输入，且所有的输入

均通过光耦隔离，光耦输入端为电流型工作的低阻器件，对干扰信号具有一定的衰减，具有较强的共模抑制能力，大大提高安全模块的抗干扰能力4。如图6输入信号电路所示。

3.5速度信号处理电路设计

本课题研究的安全监控模块，对速度信号的监控通

过增量式旋转编码器、光耦LTV-M601以及施密特触发器实现。增量式旋转编码器包括刻度码盘、红外发光LED、红外光敏接收管和信号整形处理部分，编码器通过内部两个红外光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）4。旋转编码器应用于速度测量时，由于旋转轴的震动可能引起编码器输出波形的抖动，从而导致出现计数不正确，影响速度的测量精度，本安全模块数据采集部分的电路具有分析、整形、解码功能，可对两路输入信号进行解码分析，消除旋转编码器输出脉冲信号的抖动，

图7旋转编码器采集电路

4.1双手按钮监控

为确保操作人员的双手离开危险区域，免受伤害，数

控机床控制系统要求只有在双手按钮同时按下且时间差小于0.5S时才能进行有效启停操作，如果时间差超过0.5S，必须两个手都松开后，才可以再次操作。因此，安全模块需要对接入的双手按钮进行监控，其检测时序如图8双手按钮信号处理逻辑时序图所示。

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图8双手按钮信号处理逻辑时序图

图9开关信号处理逻辑时序图

图10

42

TechniquesofAutomation&Applications程序流程图

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4.2开关信号监控

软件中对开关信号进行了自动侦测及冗余处理，防

4.4程序流程图

程序流程如图10程序流程图所示。

止开关在失效状态下工作，处理流程如图9开关信号处理逻辑时序图所示。

5制作与调试

5.1

模块的制作

模块的电路结构较为复杂，具有贴片器件和直插器件，因此，制作模块的时候需要借助贴片机和回流焊设备将微小的贴片器件焊接到电路板上面，焊接器件遵循的原则是先低后高，先小后大，焊机完毕还需要将电路板组装到模块的外壳里面，其制作流程如图11所示。

4.3编码器脉冲识别

编码器脉冲识别采用定时器中断捕获方式，计算20ms

内的编码器脉冲计数N，通过公式V=(（N/0.02)/PPR)*60，PPR为编码器的线数，两个单片机分别计算出编码器的速度，然后通过SPI通信交换数据，进行比较，如果发现不一致，则重新计算，再次发现不一致，系统将断开输出，提示故障。对程序进行仿真测试数据如表1仿真测试数据表所示：

表1

速度值2023495060708090100

仿真测试数据表

系统发出数据（十六进制）

14，14，14，14，14，14，14，14，14，1417，17，17，17，17，17，17，17，17，1731，31，31，31，31，31，31，31，31，3132,32,32,32,32,32,32,32,32,32,32,32,323C,3C,3C,3C,3C,3C,3C,3C,3C,3C,3C,3C,3C46,46,46,46,46,46,46,46,46,46,46,46,4650,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,505A,5A,5A,5A,5A,5A,5A,5A,5A,5A,5A,5A,5A

,,,,63,,,,,,,,

图11制作流程图

图12接线图

（下转第68页）

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计算机应用ComputerApplications

学生自主体验、欣赏、创作音乐，从而为多元化方式音乐学习奠定坚实的基础。本文通过系统设计与实践，证明了此系统的实用性与可行性，因此值得大力推广应用。

[4]江丽.基于android平台的实时互动远程教育系统设计与实现[J].信息通信,2016(4):121-122.

[5]谭海红,何方,王品.基于Android的远程监控系统的设计与实现[J].组合机床与自动化加工技术,2015(7):61-63.

[6]石亚妮.基于B/S构架的远程教育学生在线考试系统设计[J].自动化技术与应用,2018,37(7):48-51,.

[7]邱阳.基于公有云的远程音乐教育平台设计与实现[J].信息技术,2013(4):76-79.

参考文献:

[1]刘清堂,敖欢欢,李浩.基于特征比对的音乐学唱系统设计与实现[J].计算机工程与设计,2014(7):2592-2597.

[2]金晓冉.基于Android的远程教育移动终端学习系统的设计与实现[D].上海：华东理工大学,2016.

[3]叶青.基于Web的远程教学系统的设计与实现[J].自动化与仪器仪表,2017(10)：228-230.

作者简介:于丽(1979-),女，副教授，研究方向:民族音乐和音乐教育理论。

（上接第6页）

[14]B.P.KANG,J.L.JU.SlidingModeControllerwithFilteredSignalforRobotManipulatorsUsingVirtualPl-ant/Controller[J].Mechatronics,1997,7(3):277-286.

[15]J.E.SLOTINE,W.P.LI.OntheAdaptiveControlofRobotManipulators[J].InternationalJournalofRoboticsResearch,1987,6(3):49-59.

[16]YUE-EWANG,BAO-WEIWU,CAIYUNWU.StabilityandL2-gainanalysisofswitchedinputdelaysystemswithunstablemodesunderasynchronousswitching[J].JournaloftheFranklinInstitute,2017,3(11):10-15.

[17]YUEYONGLV,QINGLEIHU,GUANFUMA,JI-ANZHANG.Attitudecooperativecontrolofspacecraftfor-mationviaoutput-feedback[J].AircraftEngineeringandAerospaceTechnology:AnInternationalJournal,2012,84(5):

作者简介:彭超洋（19-），男，硕士研究生，研究方向：永磁同步电机控制。

321-329.

[18]JONASMISSLER,DIETERSCHWARZMANN,LIRONALLERHAND.OntheinfluenceofFilterChoiceinOutput-FeedbackMRACduringAdaptationTran-sients[J].IFACPapersOnLine,2015,48(11):506-508.

[19]程勇,林辉.开关磁阻电机伺服系统的L2增益鲁棒控制方法[J].电力自动化设备,2013,33(5):94-96,111.

[20]张晓光,赵克,孙力.永磁同步电动机混合非奇异终端滑模变结构控制[J].中国电机工程学报,2011,31(27):116-122.

（上接第43页）

5.2模块的调试

该安全监控模块有32个指示灯，分别是电源指示和

的推广空间。

IO输入输出指示，将模块按照图12进行接线，测试系统电源输出符合设计要求。急停和安全门开关信号逻辑检测正常，编码器测速正常，能够检测出系统超速，且准确度极高。经多次测速，该车床用安全监控模块可在一定电磁干扰环境下正常工作，没有出现误动作现象，可满足系统需求。模块接线如图12接线图所示。

参考文献:

[1]康华光.电子技术基础[M].武汉：高等教育出版社，2003:485-513.

[2]周兴华，等.AVR单片机C语言高级编程设计[M].北京：中国电力出版社，2015:70-88.

[3]郑振宇，等.AltiumDesigner17电子设计速成实战宝典[M].北京：电子工业出版社，2017:152-219.

[4]徐科军，等.传感器与检测技术[M].北京：电子工业出版社，2016:97-110.

[5]ENISO13849-1机械安全—控制系统有关安全的部件[S].[6]GB22997-2008机床安全小规格数控车床与车削中心[S].

作者简介:胡进芳（1972-），男，高级工程师，从事安全控制产品、安全光幕产品研发。

6结束语

数控机床用安全监控模块的研究为传统机床电路的安全改造升级提供了可行方案，随着人们对安全生产的重视，国家在工业安全等危险行业的相关安全标准也越来越完备，执行力度也越来越大，安全监控模块具有很大

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