CN103600097A - 一种用于数控车床的安全防护装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数控车床的安全防护装置，包括心跳与血压检测装置（包括压力传感器，心率传感器、信号调理与采集单元（由程控放大电路、抗混滤波电路、A/D转换芯片和先入先出寄存器组成）、核心控制单元（由数字信号处理器和可编程逻辑芯片组成）和无线信号发射器）、无线信号接收器、红外光电传感器、报警器和主轴制动系统；本发明以人体遇到伤害时的应急表现为判断依据，如心跳加快、血压升高、肌肉紧张、出汗等，利用无线通讯技术，获取信号并进行分析，确定人体是否发生危险，若是则发送信号给数控系统专用的接收器，及时触发应急动作：快速停止主轴旋转和进给轴运动，真正做到危险发生时自动快速地进行安全处理，减少危害。

Description

一种用于数控车床的安全防护装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于数控机床的安全防护方面，具体属于数控机床安全防护领域。

背景技术

当前对于人员安全越来越重视，尤其对于那些对人身安全极易造成极大损害的行业，基于此，我国对于数控车床的安全防护提出了明确的指标性规则，如安全操作流程、设备的安全防护等。可是由于该类机床正常运行时主轴处于高速旋转，而操作人员由于某些原因，会发生人的头发、手套、衣服等被高速旋转的主轴卷入并造成极其危险的后果。每年因为车床操作失误造成的人员伤残、致死事故不断，并在机床损伤中占有很大的比例，而常规的防护方法仅仅是使操作人员注意相关安全规章和事项，由于机床主轴旋转速度的过高，依靠人工的急停等处理基本没有办法真正起到保障人员安全的目的。基于此本发明提出一种当人员受到危险时可实现数控车床高速旋转自动急停的方法。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种用于数控车床的安全防护方法，目的是针对当前数控机床的安全基本主要考虑是人注意规章制度和事项和人工触发急停进而实现保护目的，而对于危险发生时候的被动应急防护未有涉及的现象，利用无线传输技术和人体应急表征为参考而提出的。

为了解决上述技术问题，本发明一种用于数控车床的安全防护装置，包括心跳与血压检测装置、无线信号接收器、红外光电传感器、报警器和主轴制动系统；所述心跳与血压检测装置包括压力传感器，心率传感器、信号调理与采集单元、核心控制单元和无线信号发射器；所述信号调理与采集单元由程控放大电路、抗混滤波电路、A/D转换芯片和先入先出寄存器组成；所述核心控制单元由数字信号处理器和可编程逻辑芯片组成；所述无线信号发射器和无线信号接收器实现信号的收发；所述主轴制动系统包括活塞部件和摩擦式抱轴部件；所述活塞部件包括活塞杆、活塞腔和供磁电路，所述活塞杆的顶部设有吸力铁块，所述活塞杆上套装有压缩弹簧，所述压缩弹簧的两端分别顶在吸力铁块和活塞腔的底部之间，所述活塞腔的顶部设有强力电磁铁，所述供磁电路与所述强力电磁铁连接；所述摩擦式抱轴部件包括固定轴、制动轴套、制动带和摩擦带；所述固定轴设置在数控车床的床身上，所述制动轴套套装在数控车床的主轴传动轴上，并采取键连接，所述制动带绕在所述制动轴套上，所述制动带的一端与所述活塞杆连接，所述制动带的另一端与所述固定轴铰接，所述摩擦带设置在所述制动带与所述制动轴套之间；所述红外光电传感器设置在数控车床的床身上。

本发明一种用于数控车床的安全防护方法，采用本发明中的上述用于数控车床的安全防护装置，并包括以下步骤：

将所述心跳与血压检测装置佩戴在数控车床操作人员的手腕上用于时刻检测佩戴者的心跳和血压数值；

通过心率传感器和压力传感器实时获取操作人员的心率信号和血压信号，所述信号调理与采集单元将所采集到的心率信号和血压信号进行低通滤波、前置放大、整形处理后去除干扰，经上述处理后的信号的传入所述核心控制单元；

所述核心控制单元对于获得的信号进行分析，若是发现外部采集处理后的信号满足危险触发要求，则控制所述无线信号发射器发出信号给数控系统；

当无线信号接收器接收到无线信号发射器发出的信号后，根据红外光电传感器信号判断人体是否接近数控车床，若是，则通过报警器报警，提示操作人员，与此同时，触发主轴制动系统和离合装置停止数控车床主轴的旋转和进给系统的工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

针对当前数控车床的安全防护特点，本发明提出了应急式被动防护的理念，使得防护可以真正做到危险发生时可以自动快速的进行安全处理，发生时减少危害。同时针对危险信号的获取采取了基于人体应急体征为参考并结合红外光电传感器相结合的方法，利用电磁铁的高响应速度以及所有信号传递通过继电器直接触发激活，保证了危险信号的及时响应，真正达到保证安全的目的。

附图说明

图1是本发明中心跳与血压检测装置的构成框图；

图2是本发明中安装于数控车床上的红外光电传感器位置图；

图3是图1中所示核心控制单元的信息流图；

图4是本发明中应急被动防护响应框图；

图5是图4所示应急被动防护响应的判断框图；

图6是本发明中主轴制动系统结构。

图中：

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

本发明用于数控车床的安全防护方法的设计思路是，对于危险信号的获取主要是利用人体遇到伤害时的应急表现，如心跳加快、头昏、肌肉紧张、血压升高、出汗等，同时利用无线通讯技术结合，将这些表征信号经过分析，确定人体是否发送危险，若是则发送信号给数控系统专用的接收器，并立马触发应急动作：快速停止主轴选择和进给轴运动。本发明用于数控车床的安全防护装置就是针对危险信号的获取的装置，如图1所示，该装置包括心跳与血压检测装置10、无线信号接收器20、红外光电传感器、报警器30和主轴制动系统40。

所述心跳与血压检测装置10包括压力传感器11，心率传感器12、信号调理与采集单元13、核心控制单元14和无线信号发射器15；所述信号调理与采集单元13由程控放大电路、抗混滤波电路、A/D转换芯片和先入先出寄存器（FIFO）组成；所述核心控制单元14由数字信号处理器（DSP）和可编程逻辑芯片（FPGA）；所述无线信号发射器15和无线信号接收器20实现信号的收发。如图6所示，所述主轴制动系统40包括活塞部件和摩擦式抱轴部件；所述活塞部件包括活塞杆45、活塞腔50和供磁电路49，所述活塞杆45的顶部设有吸力铁块47，所述活塞杆45上套装有压缩弹簧46，所述压缩弹簧46的两端分别顶在吸力铁块47和活塞腔50的底部之间，所述活塞腔50的顶部设有强力电磁铁48，所述供磁电路49与所述强力电磁铁48连接；所述摩擦式抱轴部件包括固定轴41、制动轴套42、制动带43和摩擦带44；所述固定轴41设置在数控车床52的床身上，所述制动轴套42套装在数控车床52的主轴传动轴51上，并采取键连接，所述制动带43绕在所述制动轴套42上，所述制动带43的一端与所述活塞杆45连接，所述制动带43的另一端与所述固定轴41铰接，所述摩擦带44设置在所述制动带43与所述制动轴套42之间。所述红外光电传感器设置在数控车床的床身上，如图2所示。

本发明一种用于数控车床的安全防护装置的工作原理为：心跳与血压检测装置10由人带上，保证压力传感器11和心率传感器12与人体手腕的直接接触，通过心率传感器12和压力传感器11获取心率信号和血压信号，并对于获得的信号通过信号调理与采集单元13，该信号调理与采集单元13主要由程控放大电路（主要是实现前置放大、过载控制、程控增益功能）、抗混滤波电路、A/D转换芯片和FIFO组成，对于传入的信号进行低通滤波、前置放大、整形处理后，去除干扰，满足采集电路精度要求，并为后续的检测分析提供数据。而后传入核心控制单元14，如图3所示，所述核心控制单元14主要由DSP和FPGA组成，实现信号的读取分析和采集过程控制。并根据最终的分析结果，决定是否需要触发无线信号发射器15。

利用上述用于数控车床的安全防护装置实现安全防护的方法，包括以下步骤：

将所述心跳与血压检测装置10佩戴在数控车床操作人员的手腕上用于时刻检测佩戴者的心跳和血压数值。

通过心率传感器12和压力传感器11实时获取操作人员的心率信号和血压信号，所述信号调理与采集单元13将所采集到的心率信号和血压信号进行低通滤波、前置放大、整形处理后去除干扰，经上述处理后的信号的传入所述核心控制单元14；所述核心控制单元14对于获得的信号进行分析，若是发现外部采集处理后的信号满足危险触发要求，则控制所述无线信号发射器15发出信号给数控系统。进一步讲，如图3所示，DSP的控制信号传输给FPGA，经过FPGA处理，再将控制信号送至接收处理过后的心率信号和压力信号的A/D转换芯片。其中，FIFO的主要作用是作为一个临时存储单元，用来存储A/D采集的数据，再将数据传给DSP处理。本发明中利用FIFO的半满标志为DSP提供中断信号，每次FIFO存储的数据达到半满时，会发出一个低电平脉冲信号。DSP外部中断引脚收到中断信号后，DSP会执行相应的中断程序，从FIFO中读出数据。DSP从FIFO中读数据的过程并不影响A/D采集，不会因此而出现丢点的现象。A/D及FIFO的读写控制信号均由FPGA提供。同时,DSP对于获得的信号进行分析，若是发现外部采集处理后的信号满足危险触发要求，则控制无线信号发射器发出信号给数控系统。如图4所示，当数控系统内嵌的无线信号接收器20接收到无线信号发射器15发出的信号，表示操作人员遇到危险，通过内部总线传输给数控系统控制部分，为保证信息的准确，本发明中，在数控车床的操作区设置有红外光电传感器，用于复核操作人员确实是在该数控车床的操做区内发生危险，图5示出了当无线信号接收器20接收到信号之后，数控系统内部的逻辑判断流程，首先根据红外光电传感器信号判断人体是否接近机床，若是接近机床，则说明现在的信号是有效信号，需要里面响应处理，即显示报警，提示操作人员，同时通过离合装置、主轴制动系统来达到进给和主轴的运动停止效果。

后续即是对于危险的应急处理，常规的是通过急停按钮和PLC来实现进给系统和主轴的停转，对于进给系统这样的速度是可以满足，可是对于高速旋转的主轴则时效性不是很高。本发明触发主轴制动系统实现停止数控车床主轴的旋转的过程如图6所示，由于主轴传动轴51是固定在数控车床52的床身上，主轴传动轴51为主轴的从动旋转轴，主轴传动轴51带动数控车床的卡盘和工件旋转，在其端部安装固定制动轴套42，在数控车床52的床身上还安装有固定轴41和活塞腔50，活塞腔50里面有活塞杆45、压缩弹簧46、吸力铁块47和强力电磁铁48，强力电磁铁48与供磁电路10相连，制动带43的两端分别于固定轴41和活塞杆45铰接，同时采用铆连接的方法固定有摩擦带44。压缩弹簧46安装在活塞杆45上，常态下，使摩擦带44与制动轴套42保持松连接，不产生制动效果。触发主轴制动系统之后，通过一继电器激活供磁电路49，此时强力电磁铁48通电，会吸合吸力铁块47，进而拉开压缩弹簧46，进而通过活塞杆45带动制动带43和摩擦带44紧密接触产生阻力，抱住制动轴套42进而停止主轴旋转。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种用于数控车床的安全防护装置，其特征在于，包括心跳与血压检测装置（10）、无线信号接收器（20）、红外光电传感器、报警器（30）和主轴制动系统（40）；

所述心跳与血压检测装置（10）包括压力传感器（11），心率传感器（12）、信号调理与采集单元（13）、核心控制单元（14）和无线信号发射器（15）；所述信号调理与采集单元（13）由程控放大电路、抗混滤波电路、A/D转换芯片和先入先出寄存器组成；所述核心控制单元（14）由数字信号处理器和可编程逻辑芯片组成；所述无线信号发射器（15）和无线信号接收器（20）实现信号的收发；

所述主轴制动系统（40）包括活塞部件和摩擦式抱轴部件；所述活塞部件包括活塞杆（45）、活塞腔（50）和供磁电路（49），所述活塞杆（45）的顶部设有吸力铁块（47），所述活塞杆（45）上套装有压缩弹簧（46），所述压缩弹簧（46）的两端分别顶在吸力铁块（47）和活塞腔（50）的底部之间，所述活塞腔（50）的顶部设有强力电磁铁（48），所述供磁电路（49）与所述强力电磁铁（48）连接；所述摩擦式抱轴部件包括固定轴（41）、制动轴套（42）、制动带（43）和摩擦带（44）；所述固定轴（41）设置在数控车床（52）的床身上，所述制动轴套（42）套装在数控车床（52）的主轴传动轴（51）上，并采取键连接，所述制动带（43）绕在所述制动轴套（42）上，所述制动带（43）的一端与所述活塞杆（45）连接，所述制动带（43）的另一端与所述固定轴（41）铰接，所述摩擦带（44）设置在所述制动带（43）与所述制动轴套（42）之间；

所述红外光电传感器设置在数控车床的床身上。

2.一种用于数控车床的安全防护方法，其特征在于，采用如权利要求1所述用于数控车床的安全防护装置，并包括以下步骤：

将所述心跳与血压检测装置（10）佩戴在数控车床操作人员的手腕上用于时刻检测佩戴者的心跳和血压数值；

通过心率传感器（12）和压力传感器（11）实时获取操作人员的心率信号和血压信号，所述信号调理与采集单元（13）将所采集到的心率信号和血压信号进行低通滤波、前置放大、整形处理后去除干扰，经上述处理后的信号的传入所述核心控制单元（14）；

所述核心控制单元（14）对于获得的信号进行分析，若是发现外部采集处理后的信号满足危险触发要求，则控制所述无线信号发射器（15）发出信号给数控系统；

当无线信号接收器（20）接收到无线信号发射器（15）发出的信号后，根据红外光电传感器信号判断人体是否接近数控车床，若是，则通过报警器报警，提示操作人员，与此同时，触发主轴制动系统和离合装置停止数控车床主轴的旋转和进给系统的工作。

3.根据权利要求2所述用于数控车床的安全防护方法，其中，触发主轴制动系统实现停止数控车床主轴的旋转是：触发主轴制动系统之后，通过一继电器激活供磁电路（49），强力电磁铁（48）得电产生吸力，进而拉紧压缩弹簧（46），带动活塞杆（45）上移，制动带（43）与摩擦带（44）紧密接触，通过摩擦力抱住制动轴套（42）使主动传动轴停止旋转。

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