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基于工业无线通信的普通车床安全集成控制系统

文档作者：孙莹文档来源：四川交通职业技术学院		点击数：	更新时间： 2021年06月01日
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FuncIi0n UnilS功能郜件
基于工业无线通信的普通车床安全集成控制系统
孙 莹
(四川交通职业技术学院，四川成都611130)
摘要：通过在普通车床上安装检测元件，并应用工业无线通信技术与网络技术，构建普通车床安全保护集
成控制系统。此系统不仅能实现车削加工过程的安全保护，还能对车床群组进行集中和远程控制，
方便了管理者对现场的有效监管，在学校和制造企业中具有广泛的应用前景。
关键词：普通车床；工业无线通信；网络通信；计算机控制系统
图书分类号：TH161 文献标识码：A
An plain lathe safety integrated conteol system on industrial wireless communication
SUN Ying
(Sichuan Vocational and Technical College of Communications，Chengdu 61 1 1 30，CHN)
Abstract：By installing the detecting element on lathe ，and adopts industrial wireless communication and network
technology，the system constructs a integrated conteol system for safety protection．The system not only
has safety protection for turning，but also achieves centralized control and remote nmneuvering on lathe
group，it makes managers easier with on—site supervision．The system has wide application prospect in
schools and manufacturing enterprises．
Keywords：plain lathe；industrial wireless communication；network technology；computer control system
车削加工占到机械加工的60％ 比重。由于普通
车床无防护罩，高速旋转的工作状态，以及初学者安全
意识薄弱、操作不熟练和恐惧心理，很容易造成安全事
故的发生。
车床操作过程中，初学者通常隐藏的非安全状态
有如下几种：(1)卡盘扳手在主轴卡盘上忘记取下便
开启主轴，导致扳手飞出伤人。(2)刀架自动走刀靠
近卡盘时，因紧张和经验不足，使得刀架与卡盘的实际
间距作出错误判断，导致刀架撞上高速旋转的卡盘爪。
(3)螺纹加工时，由于习惯性动作，误操作开启快速走
刀，造成加工失误。(4)小拖板正、反向走刀超过极
限，导致丝杠螺母退出，造成设备损坏。
目前，普通车床操作技能训练是各级院校机械类
学生最重要的实训项目之一，可各学校普遍存在学生
多、教师有限的状况，在这种情况下，车床操作中的潜
在危险会导致教学管理难度相当大。可见，开发针对
于普通车床群组(几十台)的安全保护集中控制显得
尤为重要。而且，就学校的现状而言，普通车床的安全
保护不仅要针对单台车床，还要有利于管理者对现场
多台车床运行状态的了解，更好地保证教学安全，集中
控制应该集安全保护、警示、集中控制和远程操控功能
于一体。其实，在许多大型制造企业中，为了提高设备
1
． ；，一 zu 0 年勇O 朋
群组的效率和管理质量，同样需要设备安全保护集中
控制。
1 系统的功能与结构
根据以上对普通车床常见危险的描述，本系统针
对单台车床的安全保护功能的控制逻辑如表1所示。
在此，把刀架纵向移动到与卡盘问的临界位置的安全
保护设为z一超限保护，小拖板正、反向走刀超过极限
的保护设为x+超限保护和x一超限保护。
表1 本系统针对单台车床的安全保护功能的控制逻辑
控制结果
序号 安全隐患
主轴电动机 快进电动机
1 扳手未取下 禁止启动 口
2 丝杠工作 口 禁止启动
3 螺纹合上 口 禁止启动
4 Z一超限 禁止启动 禁止启动
5 X+超限 口 禁止启动
6 X一超限 口 禁止启动
注：口——不受约束状态。
为了使车床使用管理更为灵活，方便有权限的熟
练操作者独立、随时地使用车床，而不需要系统授权或
- 159 ·
功能郜件Funcli0n Unils
监管，因此，每台车床规定有两种工作模式，即受控于
上位机统一管理和不受控于上位机统一管理(此方式
需要具备使用权限)。
1．1 系统结构
综合考虑控制权限、工作效率、控制速度和结构的
合理等问题，本系统采用上、下位机两级控制方案。上
位机对下位机的控制模式采用一对多点的控制。系统
结构如图1所示，主要由远程控制、集中显示模块、控
制模块和检测模块4部分组成。控制模块分上位机和
下位机(单机)结构。
图1 系统结构图
上位机主要功能是人机交互、现场联控车床的集
中控制、车床工作状态的集中显示，以及远程控制。上
位机选用PC机，配置带USB接口联接的无线通信模
块，并串接一个25英寸显示屏。上位机利用无线通信
方式与下位机进行信息传输，将下位机上传的车床安
全状态集中显示出来，同时，完成对现场联控车床的使
用状态(开机、关机)进行集中管理。在有网络通信的
工作现场，管理者可在控制范围的任何位置使用手机
对联控车床进行远程监管。
下位机的主要功能是对单台车床的安全信息进行
采集和处理、单台车床安全保护控制、安全警示和信息
上传。针对车床的两种工作模式，下位机设计有联机
工作方式和脱机工作方式两种。联机工作时下位机受
上位机统一控制，脱机工作时下位机不受上位机监管，
车床可独立开机，此时下位机只需完成本台车床的安
全保护功能。为此，下位机设置有工作权限管理。下
位机主要由显示部分(液晶显示屏+LED状态显示)、
单片机系统、矩阵键盘和串口联接的无线通信模块等
部分组成。单片机采用Atmel公司的AT89C51系列
单片机。
系统的检测模块主要是对受控车床的加工过程中
的非安全信息进行实时采集、处理和传输。
1．2 上、下位机通信模式 -
为了减少车间现场的布线，简化接口电路，上、下
位机之间的信息传送采用无线通信。本系统选用成都
泽耀科技有限公司开发的工业级AS13一TTL无线串
口收发模块。AS13一，IfI1L无线串口模块为TTL电平
输出，兼容3．3 V与5 V的IO口电压。模块采用Sili—
con最新的SI4463主芯片，设计工业用频段425～
450 MHz，共计256个信道，每个信道间隔0．1 MHz，传
输距离达2 000 m。可由上位机配置模块信道、发射功
率、ID号、AUX指示状态等。AS13一rI-I'L无线串口模
块与下位机的串口直接联接，与上位机(PC机)的联
接需增加1个配套的USB转接板。经测试，AS13一
m 模块信号传输准确、速度快，且抗干扰能力强，完
全适合用于车床工业现场。
1．3 远程控制
本系统的远程控制是利用手机，通过网络(如
WiFi、3G、GPRS等)，对上位机进行操作，从而实现对
现场车床操控的模式。手机远程控制需在手机(主控
端)与上位机(被控端)分别安装远程控制软件，这样，
手机屏上将同步显示被控电脑操作界面，管理者通过
操作手机便可在任何时间，任何地点，观察和操控现场
车床。类似于这类手机远程控制的软件很多，如深圳
市云舒网络技术有限公司研发的GoToMyCloud远程
控制软件，由主控端模块和被控端模块两部分组成。
在被控电脑上安装GoToMyCloud被控端，手机上安装
GoToMyCloud主控端即可。GoToMyCloud软件支持多
种分辨率、多种操作系统(Win7、Winxp、Win2008、Vis．
ta、Win2003)的被控电脑，其远程控制快速、便捷、可靠
性高。
2 系统软件设计
在一对多点的控制模式下，上位机和下位机之间
的通信设计为主从式关系。上位机视为主站，只有上
位机能发出请求；下位机视为从站，被动地响应请求，
从站之间不能收发信息。这样，系统的控制关系为：下
位机上电，在选择了工作模式后，等待上位机发出请
求，准备向上位机发送信号；上位机开机后，首先向下
位机发出请求，收到请求后，已上电的下位机便向上位
机发送“工作模式+就绪”信号。上位机经判断下位
机“工作模式”信号后，对申请联机工作模式，并准备
就绪，且管理员允许开机的下位机一一发出开机命令，
联机工作的下位机收到上位机的开机命令后，便进人
安全保证工作状态。
2．1 上位机软件
上位机软件是基于Windows平台上开发的，应用
VC++语言，采用MFC框架实现人机界面的生成，对
I／O端口和物理内存的32位数据交换，以及实时性要
求较高的机床控制功能。其主要功能是现场联控车床
的集中控制，以及各车床安全工作状态的集中显示。
上位机对单台下位机的控制流程如图2所示。
图2 匕位机对单台下位机的控制漉程图
2．2 下位机软件
下位机为单片机控制系统，具有联机工作和脱
机工作两种方式。下位机设置有管理员权限，通过
管理员密码进行工作方式的选择。在联机工作方式
下，下位机从属于上位机。当下位机进入正常工作
状态后，在本台车床无安全隐患的情况下，接通车床
主轴电动机和快速进给电动机电源，车床进入正常
工作状态。若检测到非安全信号，下位机一方面切
断主轴电动机或快速进给电动机电源，在本机上显
示非安全信号，以警示操作者，另一方面，上传非安
全信号至上位机，上位机在集中显示屏上显示联机
车床的工作状态，供管理者有效监管。下位机软件
流程如图3所示。
3 车床安全状态的检测
3．1 卡盘扳手的状态检测
车床正常工作的条件是卡盘扳手必须从卡盘上
；； ，一 zu10年■O等朋
F cli0n Unjls功能郜件
取下。卡盘扳手正常取下的信号获取是利用在机床
主轴箱面板的左侧，安装一个带检测元件的卡盘扳手
套的方式。若本车床扳手从卡盘上取下，并插入对应
的扳手套中，检测元件便产生“扳手取下”信号，此
时，下位机接通车床主轴电动机的电源，主轴电动机
允许启动。考虑到生产现场人多手杂，在“扳手取
下”信息检测方案上做到了卡盘搬手与本车床的一一
对应关系，即如果误将其他车床的卡盘搬手插入本车
床的搬手套中，不会产生“搬手取下”信号，主轴是无
法开启的。
皇皇 H J
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囱
主轴
电动机
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上位机发送就绪
， 并等待开机命
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快速
电动机
许自i
主轴
电动机
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快速
电动机
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Il并显示上传车床状态工作信状息悉fl
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(结束)
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3．2 丝杠、开合螺母状态的检测
车床加工螺纹时，光杠、丝杠档位手柄应打在5、
6、7、8档上，开合螺母合上，刀架由丝杠带动，此时，不
允许开启快速走刀。本系统对光杠丝杠档位柄的位置

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