一種用于數(shù)控車床的安全防護裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于數(shù)控車床的安全防護裝置，包括心跳與血壓檢測裝置（包括壓力傳感器，心率傳感器、信號調(diào)理與采集單元（由程控放大電路、抗混濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片和先入先出寄存器組成）、核心控制單元（由數(shù)字信號處理器和可編程邏輯芯片組成）和無線信號發(fā)射器）、無線信號接收器、紅外光電傳感器、報警器和主軸制動系統(tǒng)；本發(fā)明以人體遇到傷害時的應(yīng)急表現(xiàn)為判斷依據(jù)，如心跳加快、血壓升高、肌肉緊張、出汗等，利用無線通訊技術(shù)，獲取信號并進行分析，確定人體是否發(fā)生危險，若是則發(fā)送信號給數(shù)控系統(tǒng)專用的接收器，及時觸發(fā)應(yīng)急動作：快速停止主軸旋轉(zhuǎn)和進給軸運動，真正做到危險發(fā)生時自動快速地進行安全處理，減少危害。
【專利說明】一種用于數(shù)控車床的安全防護裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于數(shù)控機床的安全防護方面，具體屬于數(shù)控機床安全防護領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002]當前對于人員安全越來越重視，尤其對于那些對人身安全極易造成極大損害的行 業(yè)，基于此，我國對于數(shù)控車床的安全防護提出了明確的指標性規(guī)則，如安全操作流程、設(shè) 備的安全防護等?？墒怯捎谠擃悪C床正常運行時主軸處于高速旋轉(zhuǎn)，而操作人員由于某些 原因，會發(fā)生人的頭發(fā)、手套、衣服等被高速旋轉(zhuǎn)的主軸卷入并造成極其危險的后果。每年 因為車床操作失誤造成的人員傷殘、致死事故不斷，并在機床損傷中占有很大的比例，而常 規(guī)的防護方法僅僅是使操作人員注意相關(guān)安全規(guī)章和事項，由于機床主軸旋轉(zhuǎn)速度的過 高，依靠人工的急停等處理基本沒有辦法真正起到保障人員安全的目的。基于此本發(fā)明提 出一種當人員受到危險時可實現(xiàn)數(shù)控車床高速旋轉(zhuǎn)自動急停的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種用于數(shù)控車床的安全防護方法，目的是針對 當前數(shù)控機床的安全基本主要考慮是人注意規(guī)章制度和事項和人工觸發(fā)急停進而實現(xiàn)保 護目的，而對于危險發(fā)生時候的被動應(yīng)急防護未有涉及的現(xiàn)象，利用無線傳輸技術(shù)和人體 應(yīng)急表征為參考而提出的。
[0004]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種用于數(shù)控車床的安全防護裝置，包括心跳與 血壓檢測裝置、無線信號接收器、紅外光電傳感器、報警器和主軸制動系統(tǒng)；所述心跳與血 壓檢測裝置包括壓力傳感器，心率傳感器、信號調(diào)理與采集單元、核心控制單元和無線信號 發(fā)射器；所述信號調(diào)理與采集單元由程控放大電路、抗混濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片和先入先 出寄存器組成；所述核心控制單元由數(shù)字信號處理器和可編程邏輯芯片組成；所述無線信 號發(fā)射器和無線信號接收器實現(xiàn)信號的收發(fā)；所述主軸制動系統(tǒng)包括活塞部件和摩擦式抱 軸部件；所述活塞部件包括活塞桿、活塞腔和供磁電路，所述活塞桿的頂部設(shè)有吸力鐵塊， 所述活塞桿上套裝有壓縮彈簧，所述壓縮彈簧的兩端分別頂在吸力鐵塊和活塞腔的底部之 間，所述活塞腔的頂部設(shè)有強力電磁鐵，所述供磁電路與所述強力電磁鐵連接；所述摩擦式 抱軸部件包括固定軸、制動軸套、制動帶和摩擦帶；所述固定軸設(shè)置在數(shù)控車床的床身上， 所述制動軸套套裝在數(shù)控車床的主軸傳動軸上，并采取鍵連接，所述制動帶繞在所述制動 軸套上，所述制動帶的一端與所述活塞桿連接，所述制動帶的另一端與所述固定軸鉸接，所 述摩擦帶設(shè)置在所述制動帶與所述制動軸套之間；所述紅外光電傳感器設(shè)置在數(shù)控車床的 床身上。
[0005]本發(fā)明一種用于數(shù)控車床的安全防護方法，采用本發(fā)明中的上述用于數(shù)控車床的 安全防護裝置，并包括以下步驟:
[0006]將所述心跳與血壓檢測裝置佩戴在數(shù)控車床操作人員的手腕上用于時刻檢測佩戴者的心跳和血壓數(shù)值；
[0007]通過心率傳感器和壓力傳感器實時獲取操作人員的心率信號和血壓信號，所述信號調(diào)理與采集單元將所采集到的心率信號和血壓信號進行低通濾波、前置放大、整形處理后去除干擾，經(jīng)上述處理后的信號的傳入所述核心控制單元；
[0008]所述核心控制單元對于獲得的信號進行分析，若是發(fā)現(xiàn)外部采集處理后的信號滿足危險觸發(fā)要求，則控制所述無線信號發(fā)射器發(fā)出信號給數(shù)控系統(tǒng)；
[0009]當無線信號接收器接收到無線信號發(fā)射器發(fā)出的信號后，根據(jù)紅外光電傳感器信號判斷人體是否接近數(shù)控車床，若是，則通過報警器報警，提示操作人員，與此同時，觸發(fā)主軸制動系統(tǒng)和離合裝置停止數(shù)控車床主軸的旋轉(zhuǎn)和進給系統(tǒng)的工作。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0011]針對當前數(shù)控車床的安全防護特點，本發(fā)明提出了應(yīng)急式被動防護的理念，使得防護可以真正做到危險發(fā)生時可以自動快速的進行安全處理，發(fā)生時減少危害。同時針對危險信號的獲取采取了基于人體應(yīng)急體征為參考并結(jié)合紅外光電傳感器相結(jié)合的方法，利用電磁鐵的高響應(yīng)速度以及所有信號傳遞通過繼電器直接觸發(fā)激活，保證了危險信號的及時響應(yīng)，真正達到保證安全的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明中心跳與血壓檢測裝置的構(gòu)成框圖；
[0013]圖2是本發(fā)明中安裝于數(shù)控車床上的紅外光電傳感器位置圖；
[0014]圖3是圖1中所示核心控制單元的信息流圖；
[0015]圖4是本發(fā)明中應(yīng)急被動防護響應(yīng)框圖；
[0016]圖5是圖4所示應(yīng)急被動防護響應(yīng)的判斷框圖；
[0017]圖6是本發(fā)明中主軸制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
[0018]圖中:
[0019]
10-心跳敎叫檢測裝W:〗卜丨'K力傳感器12-心韋傳感器
13-04闕觀采_中-兒1.1-核心拉制1 TUc15-.A:線丨發(fā)射器
20-Jcikul K!'接收器30-報矜器40-+〗?:軸制動系統(tǒng)
41-M記軸-丨2-制動軸套43-制動帶
4 4—丨擎擦帶4 5-活塞桿4 6-丨Ii縮彈黌
47-吸力鐵塊48-強力電磁鐵49-供磁電路
50-活塞腔51-+:軸傳動軸52-數(shù)控車床
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細地描述。
[0021]本發(fā)明用于數(shù)控車床的安全防護方法的設(shè)計思路是，對于危險信號的獲取主要是利用人體遇到傷害時的應(yīng)急表現(xiàn)，如心跳加快、頭昏、肌肉緊張、血壓升高、出汗等，同時利用無線通訊技術(shù)結(jié)合，將這些表征信號經(jīng)過分析，確定人體是否發(fā)送危險，若是則發(fā)送信號給數(shù)控系統(tǒng)專用的接收器，并立馬觸發(fā)應(yīng)急動作:快速停止主軸選擇和進給軸運動。本發(fā)明用于數(shù)控車床的安全防護裝置就是針對危險信號的獲取的裝置，如圖1所示，該裝置包括 心跳與血壓檢測裝置10、無線信號接收器20、紅外光電傳感器、報警器30和主軸制動系統(tǒng) 40。
[0022]所述心跳與血壓檢測裝置10包括壓力傳感器11，心率傳感器12、信號調(diào)理與采集 單元13、核心控制單元14和無線信號發(fā)射器15 ;所述信號調(diào)理與采集單元13由程控放大 電路、抗混濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片和先入先出寄存器(FIFO)組成；所述核心控制單元14 由數(shù)字信號處理器(DSP)和可編程邏輯芯片(FPGA);所述無線信號發(fā)射器15和無線信號接 收器20實現(xiàn)信號的收發(fā)。如圖6所示，所述主軸制動系統(tǒng)40包括活塞部件和摩擦式抱軸 部件；所述活塞部件包括活塞桿45、活塞腔50和供磁電路49，所述活塞桿45的頂部設(shè)有吸 力鐵塊47，所述活塞桿45上套裝有壓縮彈簧46，所述壓縮彈簧46的兩端分別頂在吸力鐵 塊47和活塞腔50的底部之間，所述活塞腔50的頂部設(shè)有強力電磁鐵48，所述供磁電路49 與所述強力電磁鐵48連接；所述摩擦式抱軸部件包括固定軸41、制動軸套42、制動帶43和 摩擦帶44 ;所述固定軸41設(shè)置在數(shù)控車床52的床身上，所述制動軸套42套裝在數(shù)控車床 52的主軸傳動軸51上，并采取鍵連接，所述制動帶43繞在所述制動軸套42上，所述制動帶 43的一端與所述活塞桿45連接，所述制動帶43的另一端與所述固定軸41鉸接，所述摩擦 帶44設(shè)置在所述制動帶43與所述制動軸套42之間。所述紅外光電傳感器設(shè)置在數(shù)控車 床的床身上，如圖2所示。
[0023]本發(fā)明一種用于數(shù)控車床的安全防護裝置的工作原理為:心跳與血壓檢測裝置 10由人帶上，保證壓力傳感器11和心率傳感器12與人體手腕的直接接觸，通過心率傳感 器12和壓力傳感器11獲取心率信號和血壓信號，并對于獲得的信號通過信號調(diào)理與采集 單元13，該信號調(diào)理與采集單元13主要由程控放大電路(主要是實現(xiàn)前置放大、過載控制、 程控增益功能)、抗混濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片和FIFO組成，對于傳入的信號進行低通濾波、 前置放大、整形處理后，去除干擾，滿足采集電路精度要求，并為后續(xù)的檢測分析提供數(shù)據(jù)。 而后傳入核心控制單元14，如圖3所示，所述核心控制單元14主要由DSP和FPGA組成，實 現(xiàn)信號的讀取分析和采集過程控制。并根據(jù)最終的分析結(jié)果，決定是否需要觸發(fā)無線信號 發(fā)射器15。
[0024]利用上述用于數(shù)控車床的安全防護裝置實現(xiàn)安全防護的方法，包括以下步驟:
[0025]將所述心跳與血壓檢測裝置10佩戴在數(shù)控車床操作人員的手腕上用于時刻檢測 佩戴者的心跳和血壓數(shù)值。
[0026]通過心率傳感器12和壓力傳感器11實時獲取操作人員的心率信號和血壓信號， 所述信號調(diào)理與采集單元13將所采集到的心率信號和血壓信號進行低通濾波、前置放大、 整形處理后去除干擾，經(jīng)上述處理后的信號的傳入所述核心控制單元14 ;所述核心控制單 元14對于獲得的信號進行分析，若是發(fā)現(xiàn)外部采集處理后的信號滿足危險觸發(fā)要求，則控 制所述無線信號發(fā)射器15發(fā)出信號給數(shù)控系統(tǒng)。進一步講，如圖3所示，DSP的控制信號傳 輸給FPGA，經(jīng)過FPGA處理，再將控制信號送至接收處理過后的心率信號和壓力信號的A/D 轉(zhuǎn)換芯片。其中，F(xiàn)IFO的主要作用是作為一個臨時存儲單元，用來存儲A/D采集的數(shù)據(jù)，再 將數(shù)據(jù)傳給DSP處理。本發(fā)明中利用FIFO的半滿標志為DSP提供中斷信號，每次FIFO存 儲的數(shù)據(jù)達到半滿時，會發(fā)出一個低電平脈沖信號。DSP外部中斷引腳收到中斷信號后，DSP 會執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序，從FIFO中讀出數(shù)據(jù)。DSP從FIFO中讀數(shù)據(jù)的過程并不影響A/D采集，不會因此而出現(xiàn)丟點的現(xiàn)象。A/D及FIFO的讀寫控制信號均由FPGA提供。同時，DSP 對于獲得的信號進行分析，若是發(fā)現(xiàn)外部采集處理后的信號滿足危險觸發(fā)要求，則控制無 線信號發(fā)射器發(fā)出信號給數(shù)控系統(tǒng)。如圖4所示，當數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)嵌的無線信號接收器20接 收到無線信號發(fā)射器15發(fā)出的信號，表示操作人員遇到危險，通過內(nèi)部總線傳輸給數(shù)控系 統(tǒng)控制部分，為保證信息的準確，本發(fā)明中，在數(shù)控車床的操作區(qū)設(shè)置有紅外光電傳感器， 用于復(fù)核操作人員確實是在該數(shù)控車床的操做區(qū)內(nèi)發(fā)生危險，圖5示出了當無線信號接收 器20接收到信號之后，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯判斷流程，首先根據(jù)紅外光電傳感器信號判斷 人體是否接近機床，若是接近機床，則說明現(xiàn)在的信號是有效信號，需要里面響應(yīng)處理，即 顯示報警，提示操作人員，同時通過離合裝置、主軸制動系統(tǒng)來達到進給和主軸的運動停止 效果。
[0027]后續(xù)即是對于危險的應(yīng)急處理，常規(guī)的是通過急停按鈕和PLC來實現(xiàn)進給系統(tǒng)和 主軸的停轉(zhuǎn)，對于進給系統(tǒng)這樣的速度是可以滿足，可是對于高速旋轉(zhuǎn)的主軸則時效性不 是很高。本發(fā)明觸發(fā)主軸制動系統(tǒng)實現(xiàn)停止數(shù)控車床主軸的旋轉(zhuǎn)的過程如圖6所示，由于 主軸傳動軸51是固定在數(shù)控車床52的床身上，主軸傳動軸51為主軸的從動旋轉(zhuǎn)軸，主軸 傳動軸51帶動數(shù)控車床的卡盤和工件旋轉(zhuǎn)，在其端部安裝固定制動軸套42，在數(shù)控車床52 的床身上還安裝有固定軸41和活塞腔50，活塞腔50里面有活塞桿45、壓縮彈簧46、吸力鐵 塊47和強力電磁鐵48，強力電磁鐵48與供磁電路10相連，制動帶43的兩端分別于固定軸 41和活塞桿45鉸接，同時采用鉚連接的方法固定有摩擦帶44。壓縮彈簧46安裝在活塞桿 45上，常態(tài)下，使摩擦帶44與制動軸套42保持松連接，不產(chǎn)生制動效果。觸發(fā)主軸制動系 統(tǒng)之后，通過一繼電器激活供磁電路49，此時強力電磁鐵48通電，會吸合吸力鐵塊47，進而 拉開壓縮彈簧46，進而通過活塞桿45帶動制動帶43和摩擦帶44緊密接觸產(chǎn)生阻力，抱住 制動軸套42進而停止主軸旋轉(zhuǎn)。
[0028]盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方 式，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā) 明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保 護之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于數(shù)控車床的安全防護裝置，其特征在于，包括心跳與血壓檢測裝置(10)、 無線信號接收器(20)、紅外光電傳感器、報警器(30)和主軸制動系統(tǒng)(40);所述心跳與血壓檢測裝置(10)包括壓力傳感器(11 )，心率傳感器(12)、信號調(diào)理與采集單元(13)、核心控制單元(14)和無線信號發(fā)射器(15);所述信號調(diào)理與采集單元(13) 由程控放大電路、抗混濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片和先入先出寄存器組成；所述核心控制單元(14)由數(shù)字信號處理器和可編程邏輯芯片組成；所述無線信號發(fā)射器(15)和無線信號接收器(20)實現(xiàn)信號的收發(fā)；所述主軸制動系統(tǒng)(40)包括活塞部件和摩擦式抱軸部件；所述活塞部件包括活塞桿(45)、活塞腔(50)和供磁電路(49)，所述活塞桿(45)的頂部設(shè)有吸力鐵塊(47)，所述活塞桿(45)上套裝有壓縮彈簧(46)，所述壓縮彈簧(46)的兩端分別頂在吸力鐵塊(47)和活塞腔(50)的底部之間，所述活塞腔(50)的頂部設(shè)有強力電磁鐵(48)，所述供磁電路(49)與所述強力電磁鐵(48)連接；所述摩擦式抱軸部件包括固定軸(41)、制動軸套(42)、制動帶 (43)和摩擦帶(44);所述固定軸(41)設(shè)置在數(shù)控車床(52)的床身上，所述制動軸套(42) 套裝在數(shù)控車床(52 )的主軸傳動軸(51)上，并采取鍵連接，所述制動帶(43 )繞在所述制動軸套(42)上,所述制動帶(43)的一端與所述活塞桿(45)連接,所述制動帶(43)的另一端與所述固定軸(41)鉸接，所述摩擦帶(44)設(shè)置在所述制動帶(43)與所述制動軸套(42)之間；所述紅外光電傳感器設(shè)置在數(shù)控車床的床身上。
2.一種用于數(shù)控車床的安全防護方法，其特征在于，采用如權(quán)利要求1所述用于數(shù)控車床的安全防護裝置，并包括以下步驟:將所述心跳與血壓檢測裝置(10)佩戴在數(shù)控車床操作人員的手腕上用于時刻檢測佩戴者的心跳和血壓數(shù)值；通過心率傳感器(12)和壓力傳感器(11)實時獲取操作人員的心率信號和血壓信號， 所述信號調(diào)理與采集單元(13)將所采集到的心率信號和血壓信號進行低通濾波、前置放大、整形處理后去除干擾，經(jīng)上述處理后的信號的傳入所述核心控制單元(14);所述核心控制單元(14)對于獲得的信號進行分析，若是發(fā)現(xiàn)外部采集處理后的信號滿足危險觸發(fā)要求，則控制所述無線信號發(fā)射器(15)發(fā)出信號給數(shù)控系統(tǒng)；當無線信號接收器(20)接收到無線信號發(fā)射器(15)發(fā)出的信號后，根據(jù)紅外光電傳感器信號判斷人體是否接近數(shù)控車床，若是，則通過報警器報警，提示操作人員，與此同時， 觸發(fā)主軸制動系統(tǒng)和離合裝置停止數(shù)控車床主軸的旋轉(zhuǎn)和進給系統(tǒng)的工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述用于數(shù)控車床的安全防護方法，其中，觸發(fā)主軸制動系統(tǒng)實現(xiàn)停止數(shù)控車床主軸的旋轉(zhuǎn)是:觸發(fā)主軸制動系統(tǒng)之后，通過一繼電器激活供磁電路(49)， 強力電磁鐵(48)得電產(chǎn)生吸力，進而拉緊壓縮彈簧(46)，帶動活塞桿(45)上移，制動帶(43)與摩擦帶(44)緊密接觸，通過摩擦力抱住制動軸套(42)使主動傳動軸停止旋轉(zhuǎn)。
【文檔編號】B23Q17/24GK103600097SQ201310590311
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月20日
【發(fā)明者】王太勇, 劉清建, 李朋林, 張高峰, 胡志綱 申請人:天津大學