压制式数控机床弯曲防护控制系统中的调制激光信号传感

  摘要 - 本文讨论了调制激光信号中的频率感知，用于折弯机数控机床的弯曲防护控制系统。激光束具有合适的传播角度，可以在弯曲过程中检测任何障碍物（平面工件和手或操作员的一部分）。预防辅助激光源和信号传输噪声的影响，我们采用了调制安全信号的方法。然而，为了远离一个信号到另一个信号的丢失，调制信号具有不同的频率。三个激光发射器中的每一个以相同的调制频率以不同的数据频率馈送到激光接收器。

  光电二极管检测激光信号，解调器电路从调制频率净化数据信号。 PIC 16F628用于检测从激光接收器馈送的输入信号，并根据接收的信号控制弯曲过程。

  一，导言

由于PRESS制动器在工业中的通用型用途，它们是最难保护的机器之一。通用意味着压弯机可用于从非常小的部件到非常大的部件。这些机器上的生产运行可以是数千个零件的一部分。通过这种类型的操作，折弯机必须是通用的。

  折弯机有三种基本类型：

  1）部分革命

   - 机械摩擦离合器

   - 空气离合器（单速或双速）

  2）液压（向下作用和向上作用）

  3）Hydra-Mechanical

  有伺服驱动电动压力制动器可以保护。 [1]

  大多数折弯机操作都不需要操作员将他们的手或身体的任何部位放在操作点危险中;然而，暴露于手术点伤害仍然存在。由于这种暴露，操作人员必须保护其免受操作点的危害。最好的安全措施是，操作员永远不需要随时将他们的手或身体的一部分放在操作点。有时，当工件弯曲时，可能会在滑块的零件和前面之间产生危险。发生这种情况时，请确保操作员不要将手指放在材料的顶部或侧面，而是从下方支撑材料。

  压弯机的生产率由完成行程的循环时间决定，该行程决定了每小时弯道的数量或机器的生产率。短循环时间需要最大的快速操作，从而最小化慢速操作。循环时间取决于以下因素。

  1）撞锤的下降速度

  2）ram的备用速度

  3）备用高度

  4）静音点设置

  5）控制器功能

  6）采用安全防护系统

  该激光弯曲防护系统旨在最大限度地降低生产率，同时提供最大的操作员安全保护。 [2]

  基于激光的折弯机制动防护系统使用双排光带，垂直间隔10mm，为顶部工具提供10mm的减速区，从快速接近压制速度。在该区域下方保持所需的弯曲速度，但是在该区域之上可以获得更高的快速接近速度。

  三个激光束与撞锤平行并位于上部工具下方。第一个是距离上梁10mm的部分。下一个位于第一个前面15mm的前面，最后一个位于第一个下面至少5mm，尽管它可以根据工件的厚度手动调节。

  上部两个梁用于检测障碍物，下部梁用于检测工件。如果激光束遇到任何障碍物，则机器停止撞锤的向下运动并向上反转几英寸。一旦移除障碍物，操作员可以再次按下脚踏开关继续弯曲过程。

该过程保证了三个移动激光束区域内的手和手指的最大安全性。在弯曲盒子或管子期间，在“嵌套模式”下，可以关闭外部激光束。因此，形成垂直凸缘不再是问题，并且中梁仍然保证了操作者的安全性。

Tx =发射器Rx =接收器

图1激光发射器和接收器的位置图

L1，L2，L3 =第1，第2和第3激光束

图2弯曲防护系统中激光束的位置图

图3激光弯曲防护系统的系统框图

A.Modulated激光发射器

图4激光发射器框图

  有几种方法可以产生时钟脉冲。方波发生器是在车间中具有许多用途的那些设备之一，但实际上很少有业余爱好者。

  这个简单的套件基于流行的555定时器IC，可产生38 kHz的频率。它具有宽工作电压范围，甚至可以提供输出的可视指示。 [3]

图5使用555定时器IC的载波振荡器电路

  为了获得三个数据信号，我们使用NAND门非稳态多谐振荡器电路。定时周期由电阻 - 电容RC网络的时间常数决定。

  然后可以通过改变电路中电阻器和电容器的值来改变输出频率。 [4]

图6 NAND门非稳态多谐振荡器电路

  开关键控方法是检测载波频率。

  存在的载波频率被定义为比特1并且当没有载波频率时，众所周知的比特0.根据该处理，数据信号中的时钟和关闭时间持续时间分别表示二进制比特1和0。 NAND门IC CD4011在开关键控调制过程中充当调制器IC。根据栅极IC的两个输入信号的导通时间表示输出高而一个输出信号不存在，门IC的输出表示关闭状态。 [5]

  调制信号馈送到激光驱动器的输入端，激光驱动器根据调制信号驱动激光二极管。

  B.Demodulator（激光接收器）

  在感测激光波时，发射波的波长与激光接收器相干地辐射。根据发射激光的波长，约650 nm，我们使用了激光光电二极管DTD-15（Everlight）[6]。它根据激光产生响应信号。光电二极管的输出信号太小而无法从解调器电路中检测到。 CA3140E是一款高频运算放大器，可用于放大光电二极管信号。

  信噪比和放大器带宽的优点有助于解调和感测激光调制数据信号频率。 [7]

图7激光接收器框图

运算放大器的输出信号通过差分RC电路，以降低放大和直流电源噪声。它采用高频二极管和RC延时电路进行解调。使用TTL兼容电路对解调器电路的输出进行采样。输出可以馈送到PIC以检测输入数据信号的频率。

  C.微控制器单元

系统需要三个频率输入引脚和一个中断访问输入引脚。需要4个输入引脚和8个输出引脚。外部中断功能用于箱形弯曲选择开关。 PIC 16F628A是基于闪存的8位CMOS微控制器和中等范围的微控制器。它具有足够的I / O引脚和特殊功能。 [8]

  引脚1，RA2用于第3个激光束指示LED

  引脚2，RA3用于阻塞和暂停系统指示灯LED

  针脚6，RB0用于箱体弯曲功能选择开关

  引脚7，RB1用于输入1 kHz信号

  引脚8，RB2用于输入1.5 kHz信号

  引脚9，RB3用于输入2 kHz信号

  引脚10，RB4用于控制信号输出，以控制CNC机床

  引脚11，RB5用于盒功能开/关指示灯LED

  引脚13，RB7用于蜂鸣器报警控制

  针脚15&引脚16是外部振荡器输入和输出

  引脚17，RA0用于第一个激光束指示LED

  引脚18，RA1用于第二激光束指示LED

  箱体弯曲功能初始关闭状态，第一次按下按钮时，功能开启，下次按下该功能。

  我们编写PIC Basic Pro编程中使用的程序的指令。我们使用调制激光信号来防止外部激光源。控制程序处理输入信号的正确或错误检测。我们用信号频率的感应如下。 [9]

  在PIC Basic Pro中，PulsIn命令计入连续1或0条件的变量中。我们可以计算脉冲的时间和脉冲的关闭时间在计数变量的值。我们感觉连续1和0两次，然后除以2，因为我们想要明确。从1开始采样不是问题;我们可以等到下降沿并感知下一个0,1,0,1串联，这意味着两个信号频率周期。当感测从0开始时，我们有一个问题是等待多长时间才能找到上升沿。调制数据信号频率。 [7]

  PulsIn命令需要131.1毫秒才能超时。这对我们的状况来说太长了。因此，我们使用时间限制取决于一个周期时间的频率。当信号在一个频率周期内为0时，我们定义输入信号不存在。并且我们还定义了计数值何时不在确定值的±5％范围内，即输入信号不存在。 [10]

图8每个频率的一个周期和1或0个起始条件的持续时间

  箱体弯曲功能选择开关是按钮开关，按下该按钮是外部中断功能。因此程序调用中断子程序功能，指示灯开/关和声音信号节拍。

  III。处理方法的算法

通过程序流程图，微控制器具有三个功能。它检测输入的三个信号，每个信号在预定的频率范围内。然后，确定操作员的安全状况。之后，根据安全区的状况进行监视，产生输出。

  首先，系统等待从最低激光束（图2中所示的L1信号）获得信号，之后是上部内部信号（L信号），然后是上部外部信号（L3信号）。这需要准备使用条件，如果其中一个未被感测到，则条件不准备使用并使发射器和接收器对准。当系统准备好使用时，系统检测到第一个检测到工件物体的激光信号。在工件通过第一激光束之后，系统检查第二和第三激光束以确保安全。没有第二激光束，条件不安全，第三激光束不存在，可能是箱弯曲功能或不安全状态。

  由于外部中断特殊功能，我们使用的盒弯曲选择开关是B0引脚的输入。系统知道在任何时候打开/关闭盒子弯曲功能的感觉，因为当中断从控制引脚进入时，程序暂停到达并继续工作到中断子程序。中断子程序启动足以执行所表示的值更改并产生声音蜂鸣声并监视LED取决于打开或关闭的条件。箱体弯曲功能在常闭状态下启动。

图9弯曲防护控制系统的系统流程图

  当检测信号的频率时，PIC Basic Pro命令PulsIn具有计算信号的开启时间或关闭时间的功能。重要的是输入信号需要从噪声中清除，因为这可能会得到测量频率的误差结果。当系统开始感测信号的频率时，可能处于两种情况，第一种是关闭时间信号（0间隔）和开启时间信号（1间隔）。由于确定了采样值并忽略了时间间隔的丢失值，因此检测过程一直等到下一个条件开始。

  当从0开始感测时，系统不想等到PulsIn命令的溢出时间（131.1毫秒），因此通过循环定义时间检查1毫秒，如图10（a）所示。它对于没有传感信号具有良好的响应时间，并且具有足够的时间间隔来感测每个信号。之后，计算两次开启时间间隔和关闭时间间隔以确定间隔时间量。计数完成后，计数值除以2得到一个持续时间。

图10传感信号的系统流程图（a）

图10传感信号的系统流程图（b）

  在图10（b）中，系统开始对来自准时的信号进行采样。信号已经从1开始，只需要知道频率。因此，它等待到时间间隔结束，然后计算时间间隔并除以2得到信号的一个时间周期。

  IV。结果和讨论

  激光传感系统开始用频率发生器的输出进行测试，以检测频率中的脉冲。当结果确定输入函数发生器和允许通过信号的显示时，下一步是从激光接收器解调器进行检测。解调器输出如图11所示，示波器的通道2证明与接收器的输出相连，通道1测量激光光电二极管的运算放大器输出。

图11激光接收器电路中的输出波形

  第二步是模拟三个输入信号和中断功能的测试，如图12所示。输入从脉冲发生器源输入。

图12频率感应电路的模拟测试程序

  最后的测试是基于PIC的控制单元和三个调制激光输入信号。

图12频率感应电路的测试

  主要目的是检测感知操作员安全的信号。这些信号分别馈送到微控制器的输入引脚。微控制器检测到所有信号，并确定在哪个阶段需要产生控制信号以暂停折弯机。

  V.CONCLUSION

  在这个项目中，激光器基站发射器电路在指定的频率调制中是准确的。尽管载波频率是共同的，但是根据数据信号的不同频率调制激光发射器的输出。激光接收器可以感应激光束并在清晰的条件下放大。解调器电路用于产生可接受的输出频率信号。感测信号的测试结果是显着的。

  尽管大多数频率计使用在定义的时间间隔内对感测信号的上升沿或下降沿进行计数的方法，但是，这里使用计数采样信号的接通时间和关闭时间的时间段的方法。在结果中，该方法具有最佳响应时间并给出精确的频率值。因此，弯曲防护控制系统的结果具有快速响应时间，足以在规定的安全区域内控制CNC机床。