CN214376798U

CN214376798U - 一种数控铣床加工防护装置

Info

Publication number: CN214376798U
Application number: CN202120356804.0U
Authority: CN
Inventors: 唐妍; 金立艳; 涂金龙; 李东君
Original assignee: Nanjing Communications Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Communications Institute of Technology
Priority date: 2021-02-07
Filing date: 2021-02-07
Publication date: 2021-10-08
Anticipated expiration: 2031-02-07

Abstract

一种数控铣床加工防护装置，以围栏形式对数控铣床飞溅物进行安全防护，设置有一个可监控的安全防护门和2个可以打开和关闭的观察窗口，通过单片机实时采集是否有人或物体靠近安全门，并对防护门窗进行开启或关闭检测，给出相关的控制信号或告警信号，并能够通过计算机方便地监控其工作状态。本装置包括稳压电源单元（1）、控制单元（2）、位置传感单元（3）、信号隔离单元（4）、电机驱动单元（5）、直流电机单元（6）、电流取样单元（7）、告警与指示单元（8）、通信单元（9）。优点是能够检测安全防护门和观察窗的开启或关闭状态，给出提示信号；当人员或物体靠近防护门时，给出告警信号，当防护门打开时，将信号送到数控铣床控制单元，实现紧急停车；对电机具有电压电流检测，实施电机过电流保护及突然反向保护、连续加电时间限制保护；采用调制光源的光幕，并且对位置传感器信号进行了电气隔离，增强了抗干扰能力。

Description

一种数控铣床加工防护装置

技术领域

本实用新型涉及一种加工设备防护装置，特别是一种数控铣床加工防护装置，属于机床技术领域。

背景技术

数控铣床在模具加工过程中，被切削加工的金属会产生飞溅的切屑，尽管安全操作规程中规定操作前应穿戴好防护用品，包括戴好防护镜，以防铁屑飞溅伤眼，并在数控铣床周围安装挡板使之与操作区隔离。这只是对操作人员而言的，为了安全起见，通常还需要进行进一步的安全防护，除防止加工的金属屑飞溅外，还防止铣刀因操作不当折断飞出伤人。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种数控铣床加工防护装置，以围栏形式对数控铣床飞溅物进行安全防护，设置有一个可监控的安全防护门和2个可以打开和关闭的观察窗口，通过单片机实时采集是否有人或物体靠近安全门，并对防护门窗进行开启或关闭检测，给出相关的控制信号或告警信号，并能够通过计算机方便地监控其工作状态。

本实用新型是这样实现的：一种数控铣床加工防护装置，包括：稳压电源单元（1）、控制单元（2）、位置传感单元（3）、信号隔离单元（4）、电机驱动单元（5）、直流电机单元（6）、电流取样单元（7）、告警与指示单元（8）、通信单元（9）；其中：

稳压电源单元（1）为本装置提供稳定的工作电压，与本装置的各电气单元构成电气连接；

控制单元（2）根据检测到的位置传感单元的信号及电流取样单元的信号控制电机工作，当检测到异常时发出告警与指示信号；与稳压电源单元（1）、信号隔离单元（4）、电机驱动单元（5）、电流取样单元（7）、告警与指示单元（8）、通信单元（9）构成电气连接；

位置传感单元（3）用于获取操作按钮、行程开关和光幕的状态信息；与稳压电源单元（1）、信号隔离单元（4）构成电气连接；

信号隔离单元（4）将操作按钮、行程开关和光幕的信号进行隔离，防止电磁干扰信号损坏控制单元；与稳压电源单元（1）、控制单元（2）、位置传感单元（3）构成电气连接；

电机驱动单元（5）将控制单元输出的控制信号进行放大，驱动继电器工作，控制电机的工作状态；与稳压电源单元（1）、控制单元（2）、直流电机单元（6）构成电气连接；

直流电机单元（6）用于驱动防护门的打开与关闭，与稳压电源单元（1）、电机驱动单元（5）、电流取样单元（7）构成电气连接；

电流取样单元（7）用于获取电机工作时的电流大小，以便当电机工作异常时控制单元对电机进行保护，与控制单元（2）、直流电机单元（6）构成电气连接；

告警与指示单元（8）用于对工作状态进行指示，当控制单元（2）检测到异常时发出声光告警，与稳压电源单元（1）、控制单元（2）构成电气连接；

通信单元（9）用于与上位机通信，以便通过上位机监控本装置的状况，与稳压电源单元（1）、控制单元（2）构成电气连接。

所述的位置传感单元（3）包括检测安全防护门开启位置和观察窗开启位置的行程开关、人工打开或关闭安全防护门的操作按钮，以及安装在安全防护门处的多光轴光幕，与信号隔离单元（4）构成电气连接。

本实用新型的优点及效果：

(1)能够检测安全防护门和观察窗的开启或关闭状态，给出提示信号；

(2)当人员或物体靠近防护门时，给出告警信号，当防护门打开时，将信号送到数控铣床控制单元，实现紧急停车；

(3)对电机具有电压电流检测，实施电机过电流保护及突然反向保护、连续加电时间限制保护；

(4)采用调制光源的光幕，并且对位置传感器信号进行了电气隔离，增强了抗干扰能力；

(5)本装置的成本低、可靠性高，易于控制。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型的电气原理方框图。

图2是实施例的稳压电源单元连接的电路原理图。

图3是实施例的控制单元、电机驱动单元、告警与指示单元连接的电路原理图。

图4是实施例的信号隔离单元电路原理图。

图5是实施例的位置传感单元电路原理图。

图6是实施例的直流电机单元、电流取样单元电路原理图。

图7是实施例的通信单元电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型作进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参看图1，一种数控铣床加工防护装置，包括稳压电源单元（1）、控制单元（2）、位置传感单元（3）、信号隔离单元（4）、电机驱动单元（5）、直流电机单元（6）、电流取样单元（7）、告警与指示单元（8）、通信单元（9）；其中稳压电源单元（1）为本装置提供稳定的工作电压，与本装置的各电气单元构成电气连接；控制单元（2）根据检测到的位置传感单元的信号及电流取样单元的信号控制电机工作，当检测到异常时发出告警与指示信号；与稳压电源单元（1）、信号隔离单元（4）、电机驱动单元（5）、电流取样单元（7）、告警与指示单元（8）、通信单元（9）构成电气连接；位置传感单元（3）用于获取操作按钮、行程开关和光幕的状态信息；与稳压电源单元（1）、信号隔离单元（4）构成电气连接；信号隔离单元（4）将操作按钮、行程开关和光幕的信号进行隔离，防止电磁干扰信号损坏控制单元；与稳压电源单元（1）、控制单元（2）、位置传感单元（3）构成电气连接；电机驱动单元（5）将控制单元输出的控制信号进行放大，驱动继电器工作，控制电机的工作状态；与稳压电源单元（1）、控制单元（2）、直流电机单元（6）构成电气连接；直流电机单元（6）用于驱动防护门的打开与关闭，与稳压电源单元（1）、电机驱动单元（5）、电流取样单元（7）构成电气连接；电流取样单元（7）用于获取电机工作时的电流大小，以便当电机工作异常时控制单元对电机进行保护，与控制单元（2）、直流电机单元（6）构成电气连接；告警与指示单元（8）用于对工作状态进行指示，当控制单元（2）检测到异常时发出声光告警，与稳压电源单元（1）、控制单元（2）构成电气连接；通信单元（9）用于与上位机通信，以便通过上位机监控本装置的状况，与稳压电源单元（1）、控制单元（2）构成电气连接。

请参看图2，稳压电源单元由通用的AC/DC电源适配器PS1将220V交流市电转换为12V直流电，为装置提供的+12V电压，经稳压集成电路U1输出+5V电压，为装置提供+5V电压，再经稳压集成电路U2输出3.3V电压，作为装置使用的VDD电源；包括插座CZ1、AC/DC电源PS1、稳压集成电路U1、稳压集成电路U2、电容C1、C2、C3。U1的型号为LM7805，U2的型号为LD1117S33C。

请参看图3，控制单元包括插座CZ2～CZ4、高速高性能单片机U3、光电耦合器U4、电阻R1～R4、R12、R13、R17、R18、电容C4～C9、稳压二极管D1。

高速高性能单片机U3的型号为C8051F310，其内部集成有振荡器、在系统可编程的FLASH存储器、C2接口调试电路、温度传感器、多达21路的模数转换电路（ADC）、四个通用16位定时器/计数器、硬件SMBus（I2C兼容）、UART串口、PCA模块等，它是本装置的核心控制器件。

单片机通过对位置传感单元的输入信号的检测，判断门窗是否关闭完好、是否有人工操作的开门或关门信号，通过对光幕信号的检测，判断是否有人或物体靠近由光幕确定的防护门区域，由此通过指示单元给出状态指示及蜂鸣器信号，同时给出开门或关门信号，通过电机驱动单元控制电机带动防护门机构进行打开或关闭。当防护门打开时，将信号送到数控铣床的控制单元，以便实现紧急停车。

单片机通过电流取样单元对电机的电流进行检测，以确定电机运行是否过载，以便对电机进行综合保护，当检测到异常时发出告警与指示信号。

控制单元通过通信单元（9）与运行相应监控软件的上位机进行通信，以便通过计算机方便地查看相关的状态或配置相关的参数。

插座CZ2是单片机的编程接口，进行仿真、编程操作时，单片机通过此接口与C8051F单片机编程器或仿真器相连，以便对单片机进行编程、调试和软件下载。

通过电阻R1、稳压二极管D1、电容C5为单片机内部的ADC电路提供VREF基准电压信号；通过电阻R2、电容C4为单片机提供上电复位信号；通过电阻R4将数字地与模拟地连接起来，避免数字地对模拟信号产生干扰。

单片机U3的第28引脚输出数控铣床联锁控制信号，通过光耦U4隔离和电平变换，输出到插座CZ4，连接到数控铣床的控制单元。

控制单元的连接关系是：CZ2的引脚1接至电源VDD，引脚2与单片机U3的引脚6连接，引脚3连接至复位信号RST端，并与电阻R3串联后接至单片机U3的第5引脚，CZ2的引脚4直接与单片机U3的引脚5相连接，CZ2的引脚5接至GND；电阻R2的一端连接至电源VDD，另一端连接到复位信号RST；稳压二极管D1与电容C5并联，一端连接到电阻R1和单片机U3的引脚2，另一端接模拟地；电阻R1的另一端接VDD；电容C4一端连接到复位信号RST，另一端连接到GND；电容C6一端连接到VDD，另一端连接到GND；单片机U3的引脚3接至GND，引脚4连接至电源VDD；

插座CZ3的引脚1接至电源VDD，引脚2与单片机U3的引脚29连接，引脚3连接至单片机U3的第30引脚，引脚4接GND；

电阻R12的一端连接到单片机U3的第28引脚，另一端连接到光电耦合器U4二极管的阳极；光电耦合器U4的二极管阴极和发射极连接到GND；电阻R13的一端连接到+5V，另一端连接到光电耦合器U4的集电极；插座CZ4的引脚1和引脚2之间并联电容C9，且引脚1连接到光电耦合器U4的集电极，引脚2接GND；

电阻R17的一端连接到+12V，另一端连接到电阻R18的一端和单片机U3的引脚12，作为+12V电压采样的AV1信号，电阻R18的另一端连接到模拟地，电容C7与电阻R18并联连接；电容C8的一端连接到单片机U3的引脚13，还连接到AV2信号，C8的另一端连接到模拟地；

AV1、AV2信号通过单片机内部的ADC电路转换为数字量，以便进行运算，同时根据设定的参数确定是否应给出相应的控制、保护信号。

电阻R4的一端连接到数字地，另一端连接到模拟地。

电机驱动单元包括电阻R8～R11、MOSFET管V2、V3、继电器KJ1、KJ2、二极管D6、D7；单片机U3的引脚8和引脚9分别输出防护门打开和关闭的信号，由MOSFET场效应管V2、V3驱动，控制继电器KJ1、KJ2。继电器KJ1、KJ2的型号为JQX115F-2ZS4-12V。

连接关系是：电阻R8的一端连接到单片机U3的引脚8，另一端连接到电阻R9的一端和场效应管V2的栅极，电阻R9的另一端接GND，场效应管V2的源极接GND，场效应管V2的漏极接二极管D6的阳极，D6的阴极连接到+12V电源，D6的两端并联继电器KJ1的线圈；

电阻R10的一端连接到单片机U3的引脚9，另一端连接到电阻R11的一端和场效应管V3的栅极，电阻R11的另一端接GND，场效应管V3的源极接GND，场效应管V3的漏极接二极管D7的阳极，D7的阴极连接到+12V电源，D7的两端并联继电器KJ2的线圈。

告警与指示单元包括电阻R5～R7、R14～R16、电容C10、发光二极管D2～D5、三极管V1、蜂鸣器FM1、开关S1；发光二极管D3、D4、D5分别指示装置的右窗未关、左窗未关、门未关好；声音提示或告警信号从单片机的引脚19输出，由发光二极管D2指示，经三极管V1驱动蜂鸣器FM1发声。当门未关好、左窗未关好、右窗未关好、光幕被挡或未接光幕时，蜂鸣器发出断续提示或告警音；当12V电源过电压、欠电压、芯片温度高、开门限位开关和关门限位开关同时接通、检测到电机过电流信号、电机运转超时而暂停工作时，蜂鸣器发出连续提示或告警音，通过开关S1可以允许或禁止蜂鸣器发出声音。

请参看图4，信号隔离单元包括插座CZ5、电阻R21～R34、电容C11～C17、光电耦合器U5～U11；连接关系是：

电阻R22的一端连接到+5V，另一端连接到光电耦合器U5二极管的阳极；光电耦合器U5的二极管阴极连接到插座CZ5的第2引脚，光电耦合器U5的发射极连接到GND；电阻R21的一端连接到VDD，另一端连接到光电耦合器U5的集电极；电容C11的一端连接到光电耦合器U5的集电极，另一端连接到GND；光电耦合器U5的集电极还连接到单片机U3的第24引脚；

电阻R24的一端连接到+5V，另一端连接到光电耦合器U6二极管的阳极；光电耦合器U6的二极管阴极连接到插座CZ5的第3引脚，光电耦合器U6的发射极连接到GND；电阻R23的一端连接到VDD，另一端连接到光电耦合器U6的集电极；电容C12的一端连接到光电耦合器U6的集电极，另一端连接到GND；光电耦合器U6的集电极还连接到单片机U3的第23引脚；

电阻R26的一端连接到+5V，另一端连接到光电耦合器U7二极管的阳极；光电耦合器U7的二极管阴极连接到插座CZ5的第4引脚，光电耦合器U7的发射极连接到GND；电阻R25的一端连接到VDD，另一端连接到光电耦合器U7的集电极；电容C13的一端连接到光电耦合器U7的集电极，另一端连接到GND；光电耦合器U7的集电极还连接到单片机U3的第22引脚；

电阻R28的一端连接到+5V，另一端连接到光电耦合器U8二极管的阳极；光电耦合器U8的二极管阴极连接到插座CZ5的第5引脚，光电耦合器U8的发射极连接到GND；电阻R27的一端连接到VDD，另一端连接到光电耦合器U8的集电极；电容C14的一端连接到光电耦合器U8的集电极，另一端连接到GND；光电耦合器U8的集电极还连接到单片机U3的第21引脚；

电阻R30的一端连接到+5V，另一端连接到光电耦合器U9二极管的阳极；光电耦合器U9的二极管阴极连接到插座CZ5的第6引脚，光电耦合器U9的发射极连接到GND；电阻R29的一端连接到VDD，另一端连接到光电耦合器U9的集电极；电容C15的一端连接到光电耦合器U9的集电极，另一端连接到GND；光电耦合器U9的集电极还连接到单片机U3的第27引脚；

电阻R32的一端连接到+5V，另一端连接到光电耦合器U10二极管的阳极；光电耦合器U10的二极管阴极连接到插座CZ5的第7引脚，光电耦合器U10的发射极连接到GND；电阻R31的一端连接到VDD，另一端连接到光电耦合器U10的集电极；电容C16的一端连接到光电耦合器U10的集电极，另一端连接到GND；光电耦合器U10的集电极还连接到单片机U3的第26引脚；

电阻R34的一端连接到+5V，另一端连接到光电耦合器U11二极管的阳极；光电耦合器U11的二极管阴极连接到插座CZ5的第8引脚，光电耦合器U11的发射极连接到GND；电阻R33的一端连接到VDD，另一端连接到光电耦合器U11的集电极；电容C17的一端连接到光电耦合器U11的集电极，另一端连接到GND；光电耦合器U11的集电极还连接到单片机U3的第25引脚；插座CZ5的第1引脚接GND。

请参看图5，位置传感单元包括按钮S2、S3、常开触点的行程开关SQ1～SQ4、光幕GM1；光幕是采用调制光源的、抗干扰能力强的多光轴光幕，光幕探测的区域即为防护门的防护区，当光幕的光轴间距一定时，光轴数越多，防护区越大；连接关系是：

插座CZ6的第2引脚连接到手动开门的按钮S2，插座CZ6的第3引脚连接到手动关门的按钮S3，插座CZ6的第4引脚连接到左窗关闭位置检测的行程开关，插座CZ6的第5引脚连接到右窗关闭位置检测的行程开关，插座CZ6的第6引脚连接到光幕GM1第1引脚的输出信号，插座CZ6的第7引脚连接到防护门打开到位检测的行程开关，插座CZ6的第8引脚连接到防护门关闭到位检测的行程开关，插座CZ6的第1引脚连接到GND，按钮S2、S3、行程开关SQ1～SQ4的另一端全部连接到GND。

请参看图6，直流电机单元包括熔断器F1、继电器KJ1的2组转换触点KJ1-1和KJ1-2、继电器KJ2的2组转换触点KJ2-1和KJ2-2、直流电机M1、压敏电阻RV1及电容C20；直流电机的正反转及是否加电，由继电器KJ1和KJ2控制，并且由KJ1和KJ2的触点实现互锁，压敏电阻RV1及电容C20为电机保护及抗干扰元件。

连接关系是：熔断器F1的一端连接到+12V，另一端分别连接到KJ1-1的引脚5和KJ2-1的引脚5；KJ1-1的引脚6连接到KJ2-2的引脚9，KJ2-1的引脚6连接到KJ1-2的引脚9，KJ1-2的引脚7连接到KJ2-2的引脚7，KJ1-2的引脚8与KJ2-2的引脚8之间连接12V直流电机M1，12V直流电机M1的两端并联压敏电阻RV1及电容C20。

电流取样单元对通过电机的电流进行检测，输出电机电流的取样信号AV2；包括电阻R19、R20、电容C19，连接关系是：

电阻R19的一端与电阻R20的一端相连接，并连接到继电器触点KJ1-2的引脚7和继电器触点KJ2-2的引脚7；电阻R19的另一端连接到电容C19的正极，作为电流取样信号AV2，连接到图3中的单片机U3的第13引脚；电容C19的另一端接模拟地，作为滤波电容；电阻R20的另一端接GND。

请参看图7，通信单元包括插座CZ7、无线通信模块M2；插座CZ7在外部与图3中的插座CZ3对应的电气端子用导线连接。无线通信模块M2的型号为HC-12，M2的VCC、GND、RXD、TXD端分别连接到插座CZ7的第1、4、3、2引脚。通过通信模块单元，可以与计算机进行无线通信，以便上位机方便地监控本装置的状态或进行参数配置。

图2～图7中，各电路连接原理图中相同的电气网络编号或端口是相连的。

Claims

1.一种数控铣床加工防护装置，其特征在于，包括：稳压电源单元（1）、控制单元（2）、位置传感单元（3）、信号隔离单元（4）、电机驱动单元（5）、直流电机单元（6）、电流取样单元（7）、告警与指示单元（8）、通信单元（9）；其中：

2.根据权利要求1所述的一种数控铣床加工防护装置，其特征在于，所述的位置传感单元（3）包括检测安全防护门开启位置和观察窗开启位置的行程开关、人工打开或关闭安全防护门的操作按钮，以及安装在安全防护门处的多光轴光幕，与信号隔离单元（4）构成电气连接。

3.根据权利要求1所述的一种数控铣床加工防护装置，其特征在于，所述的控制单元包括插座CZ2～CZ4、高速高性能单片机U3、光电耦合器U4、电阻R1～R4、R12、R13、R17、R18、电容C4～C9、稳压二极管D1；

连接关系是：CZ2的引脚1接至电源VDD，引脚2与单片机U3的引脚6连接，引脚3连接至复位信号RST端，并与电阻R3串联后接至单片机U3的第5引脚，CZ2的引脚4直接与单片机U3的引脚5相连接，CZ2的引脚5接至GND；电阻R2的一端连接至电源VDD，另一端连接到复位信号RST；稳压二极管D1与电容C5并联，一端连接到电阻R1和单片机U3的引脚2，另一端接模拟地；电阻R1的另一端接VDD；电容C4一端连接到复位信号RST，另一端连接到GND；电容C6一端连接到VDD，另一端连接到GND；单片机U3的引脚3接至GND，引脚4连接至电源VDD；

AV1、AV2信号通过单片机内部的ADC电路转换为数字量，以便进行运算，同时根据设定的参数确定是否应给出相应的控制、保护信号；

电阻R4的一端连接到数字地，另一端连接到模拟地。

4.根据权利要求1所述的一种数控铣床加工防护装置，其特征在于，所述的电机驱动单元包括电阻R8～R11、MOSFET管V2、V3、继电器KJ1、KJ2、二极管D6、D7；单片机U3的引脚8和引脚9分别输出防护门打开和关闭的信号，由MOSFET场效应管V2、V3驱动，控制继电器KJ1、KJ2；继电器KJ1、KJ2的型号为JQX115F-2ZS4-12V；

5.根据权利要求1所述的一种数控铣床加工防护装置，其特征在于，所述的信号隔离单元包括插座CZ5、电阻R21～R34、电容C11～C17、光电耦合器U5～U11；连接关系是：

6.根据权利要求1所述的一种数控铣床加工防护装置，其特征在于，所述的位置传感单元包括按钮S2、S3、常开触点的行程开关SQ1～SQ4、光幕GM1；光幕是采用调制光源的、抗干扰能力强的多光轴光幕；

连接关系是：插座CZ6的第2引脚连接到手动开门的按钮S2，插座CZ6的第3引脚连接到手动关门的按钮S3，插座CZ6的第4引脚连接到左窗关闭位置检测的行程开关，插座CZ6的第5引脚连接到右窗关闭位置检测的行程开关，插座CZ6的第6引脚连接到光幕GM1第1引脚的输出信号，插座CZ6的第7引脚连接到防护门打开到位检测的行程开关，插座CZ6的第8引脚连接到防护门关闭到位检测的行程开关，插座CZ6的第1引脚连接到GND，按钮S2、S3、行程开关SQ1～SQ4的另一端全部连接到GND。

7.根据权利要求1所述的一种数控铣床加工防护装置，其特征在于，所述的直流电机单元包括熔断器F1、继电器KJ1的2组转换触点KJ1-1和KJ1-2、继电器KJ2的2组转换触点KJ2-1和KJ2-2、直流电机M1、压敏电阻RV1及电容C20；直流电机的正反转及是否加电，由继电器KJ1和KJ2控制，并且由KJ1和KJ2的触点实现互锁，压敏电阻RV1及电容C20为电机保护及抗干扰元件；

8.根据权利要求1所述的一种数控铣床加工防护装置，其特征在于，所述的电流取样单元对通过电机的电流进行检测，输出电机电流的取样信号AV2；包括电阻R19、R20、电容C19；

连接关系是：电阻R19的一端与电阻R20的一端相连接，并连接到继电器触点KJ1-2的引脚7和继电器触点KJ2-2的引脚7；电阻R19的另一端连接到电容C19的正极，作为电流取样信号AV2，连接到单片机U3的第13引脚；电容C19的另一端接模拟地，作为滤波电容；电阻R20的另一端接GND。

9.根据权利要求1所述的一种数控铣床加工防护装置，其特征在于，所述的通信单元包括插座CZ7、无线通信模块M2；插座CZ7与插座CZ3对应的电气端子用导线连接；无线通信模块M2的型号为HC-12，M2的VCC、GND、RXD、TXD端分别连接到插座CZ7的第1、4、3、2引脚。