Modulierte Lasersignalerfassung in einer Biegeunterdrückungssteuerung für eine Abkantpresse-CNC-Maschine

  Zusammenfassung: Dieses Dokument behandelt die Frequenzerfassung in modulierten Lasersignalen, die in einem Biegeüberwachungssystem für eine Abkantpresse-CNC-Maschine verwendet werden. Der Laserstrahl hat einen geeigneten Ausbreitungswinkel, um Hindernisse (flache Werkstücke und Hand oder Teile von Bedienern) beim Biegen zu erkennen. Zur Vermeidung von Hilfslaserquellen und zur Auswirkung von Signalübertragungsgeräuschen haben wir die Methode der Modulation des Sicherheitssignals im Prozess verwendet. Die modulierten Signale haben jedoch getrennte Frequenzen, um nicht von einem Signal zu einem anderen zu fehlen. Jeder der drei Lasersender speist den Laserempfänger mit unterschiedlichen Datenfrequenzen auf derselben Modulationsfrequenz.

  Die Fotodiode erkennt das Lasersignal und die Demodulatorschaltung reinigt das Datensignal von der Modulationsfrequenz. Mit PIC 16F628 werden die vom Laserempfänger eingehenden Signale erkannt und der Biegevorgang entsprechend den empfangenen Signalen gesteuert.

  I. EINLEITUNG

  PRESS-Bremsen sind aufgrund ihres generellen Einsatzes in der Industrie eine der am schwierigsten zu sichernden Werkzeugmaschinen. Allzweck bedeutet, dass eine Abkantpresse verwendet werden kann, um von sehr kleinen Teilen zu sehr großen Teilen zu führen. Die Serienproduktion auf diesen Maschinen kann aus einem Teil zu Tausenden von Teilen bestehen. Bei dieser Art von Betrieb müssen Abkantpressen vielseitig sein.

  Es gibt drei grundlegende Kategorien von Abkantpressen:

  1) Teilrevolution

  -Mechanische Reibungskupplung

  -Luftkupplung (ein- oder zweistufig)

  2) hydraulisch (nach unten und nach oben)

  3) Hydra-mechanisch

  Es gibt elektrische Pressenbremsen mit Servoantrieb, die geschützt werden können. [1]

  Die meisten Abkantpressen erfordern nicht, dass die Bediener ihre Hände oder Körperteile in die Gefahr der Gefahrensituation bringen. Es besteht jedoch immer noch eine Exposition gegenüber Verletzungen am Arbeitsplatz. Aufgrund dieser Exposition müssen die Bediener vor Gefahren am Einsatzort geschützt werden. Die beste Sicherheitsmethode ist, wenn der Bediener zu keiner Zeit seine Hände oder Körperteile an den Bedienpunkt legen muss. Manchmal, wenn sich das Werkstück aufbiegt, kann zwischen dem Teil und der Vorderseite des Schlittens eine Gefahr entstehen. Stellen Sie in diesem Fall sicher, dass die Bediener ihre Finger nicht auf die Oberseite oder die Seiten des Materials legen, sondern das Material von unten abstützen.

  Die Produktivität einer Abkantpresse wird durch die Zykluszeit zum Abschließen eines Hubs bestimmt, der die Anzahl der Biegungen pro Stunde oder die Produktivität der Maschine bestimmt. Kurze Zykluszeiten erfordern einen Betrieb mit maximaler Geschwindigkeit, wodurch der Betrieb mit langsamer Geschwindigkeit minimiert wird. Die Zykluszeit hängt von folgenden Faktoren ab.

1) Sinkgeschwindigkeit des Stempels

  2) Reservegeschwindigkeit des Stempels

  3) Reservehöhe

4) Stummschaltpunkteinstellung

  5) Controller-Funktionalität

  6) Sicherheitsschutzsystem eingesetzt

  Dieses Laser-Biegungsschutzsystem ist so konzipiert, dass es nur minimale Auswirkungen auf die Produktivität hat und gleichzeitig maximale Sicherheit für den Bediener bietet. [2]

  Laserbasiertes Abkühlbremsensicherungssystem verwendet eine doppelte Reihe von Lichtbändern, die um 10 mm vertikal angeordnet sind, um eine 10-mm-Verzögerungszone für das Oberwerkzeug vom schnellen Anfahren bis zur Pressgeschwindigkeit zu erreichen. Unterhalb dieser Zone wird die erforderliche Biegegeschwindigkeit aufrechterhalten, oberhalb dieser Zone kann jedoch eine viel höhere Eilgeschwindigkeit erreicht werden.

  Drei Laserstrahlen werden parallel zum Stößel und unter dem Oberwerkzeug geführt. Der erste ist 10 mm vom oberen Träger entfernt. Der nächste ist 15 mm vor dem ersten und der letzte liegt mindestens 5 mm unter dem ersten, obwohl er manuell entsprechend der Dicke des Werkstücks einstellbar ist.

  Die oberen beiden Balken dienen zum Erkennen der Hindernisse und der untere zum Erkennen des Werkstücks. Wenn die Laserstrahlen auf ein Hindernis stoßen, stoppt die Maschine die Abwärtsbewegung des Stempels und fährt einige Zentimeter nach oben. Sobald das Hindernis entfernt ist, kann der Bediener den Biegevorgang durch erneutes Drücken des Fußschalters fortsetzen.

  Dieses Verfahren garantiert maximale Hand- und Fingersicherheit im Bereich der drei sich bewegenden Laserlichtstrahlen. Während des Biegens von Kästen oder Rohren kann im "Verschachtelungsmodus" der äußere Laserstrahl ausgeschaltet werden. Daher ist das Ausbilden von senkrechten Flanschen kein Problem mehr, und die Sicherheit des Bedieners wird weiterhin durch den mittleren Balken gewährleistet.

Tx = Sender Rx = Empfänger

Abb. 1 Positionsdiagramm von Lasersender und -empfänger

L1, L2, L3 = 1., 2. und 3. Laserstrahl

Abb. 2 Positionsdiagramm der Laserstrahlen im Bending Guard System

Abb. 3 Systemblockschaltbild des Laserschutzbügelsystems

A.Modulierter Lasersender

Abb. 4 Blockdiagramm des Lasersenders

  Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Taktimpulse zu erzeugen. Ein Rechteckgenerator ist eines dieser Geräte, das in der Werkstatt viele Verwendungszwecke hat, aber nur wenige Hobbyisten haben.

  Dieses einfache Kit basiert auf dem beliebten 555-Timer-IC und erzeugt eine 38-kHz-Frequenz. Es hat einen weiten Betriebsspannungsbereich und bietet sogar eine visuelle Anzeige des Ausgangs. [3]

Abb.5 Trägeroszillatorschaltung mit 555-Timer-IC

  Um drei Datensignale zu erhalten, verwendeten wir die astabilen NIV-Gatter-Multivibratorschaltungen. Der Taktzyklus wird durch die Zeitkonstante des Widerstands-Kondensator-RC-Netzwerks bestimmt.

  Dann kann die Ausgangsfrequenz variiert werden, indem der Wert (die Werte) der Widerstände und des Kondensators in der Schaltung geändert wird. [4]

Fig. 6 NAND-Gate-stabile Multivibratorschaltung

  Ein-Aus-Tastmethode ist das Erfassen der Trägerfrequenz.

  Die vorhandene Trägerfrequenz ist als Bit 1 definiert und wenn keine Trägerfrequenz bekannt ist, die als Bit 0 bekannt ist. Gemäß diesem Verfahren repräsentieren die Einschaltzeit und die Ausschaltzeitdauer des Taktimpulses im Datensignal das binäre Bit 1 bzw. 0. Ein NAND-Gatter-IC, CD4011, wirkt als Modulator-IC in einem Ein-Aus-Tastmodulationsprozess. Entsprechend der Einschaltzeit beider Eingangssignale des Gatters IC wird dargestellt, um hoch auszugeben, und welches von einem nicht vorhanden ist, bedeutet der Ausgang des Gatters IC, dass der Zustand ausgeschaltet ist. [5]

Das modulierte Signal speist den Eingang des Lasertreibers und der Lasertreiber treiben die Laserdiode entsprechend dem modulierten Signal an.

  B.Demodulator (Laserempfänger)

  Beim Erfassen einer Laserwelle wird die Wellenlänge der übertragenen Welle kohärent an den Laserempfänger abgestrahlt. Entsprechend der Wellenlänge des transmittierenden Laserlichts, etwa 650 nm, haben wir die Laser-Fotodiode DTD-15 (Everlight) [6] verwendet. Sie erzeugt das Antwortsignal entsprechend dem Laserlicht. Das Ausgangssignal der Fotodiode ist zu klein, um von der Demodulatorschaltung erfasst zu werden. CA3140E ist ein Hochfrequenz-Operationsverstärker und zur Verstärkung von Fotodiodensignalen nützlich.

  Die Vorteile des Signal-Rausch-Verhältnisses und der Bandbreite des Verstärkers helfen bei der Demodulation und beim Erfassen der lasermodulierten Datensignalfrequenz. [7]

Abb. 7 Blockdiagramm des Laserempfängers

  Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers wird durch die differenzierende RC-Schaltung geleitet, um die Verstärkung und das DC-Versorgungsrauschen zu reduzieren. Es wurde mit einer Hochfrequenzdiode und einer RC-Verzögerungsschaltung demoduliert. Der Ausgang der Demodulatorschaltung wird mit der TTL-kompatiblen Schaltung abgetastet. Der Ausgang kann an PIC speisen, um die Frequenz des Eingangsdatensignals zu erfassen.

  C.Mikro-Controller-Einheit

Das System benötigt drei Frequenzeingangspins und einen Interrupt-Zugriffseingangspin. Es sind 4 Eingangspins und 8 Ausgangspins erforderlich. Die externe Interrupt-Funktion wird für den Wahlschalter des Box-Biegens verwendet. PIC 16F628A ist ein Flash-basierter 8-Bit-CMOS-Mikrocontroller und eine mittlere Reihe von Mikrocontrollern. Es hat genug I / O-Pin und spezielle Funktion für diese Arbeit. [8]

  Pin 1, RA2 für 3. LED-Anzeige des Laserstrahls

  Pin 2, RA3 für blockierte und angehaltene Systemanzeige-LED

  Pin 6, RB0 für den Wahlschalter für die Box-Biegungsfunktion

  Pin 7, RB1 wird für die Eingabe eines 1-kHz-Signals verwendet

  Pin 8, RB2 für die Eingabe eines 1,5-kHz-Signals

  Pin 9, RB3 für die Eingabe eines 2-kHz-Signals

  Pin 10, RB4 wird für die Steuersignalausgabe zur Steuerung der CNC-Maschine verwendet

  Pin 11, RB5 für LED-Anzeigen der Box-Funktion Ein / Aus

  Pin 13, RB7 wird für die Summer-Alarmsteuerung verwendet

  Pin 15 & Pin 16 ist Eingang und Ausgang des externen Oszillators

  Pin 17, RA0 für erste LED-Anzeige für den Laserstrahl

  Pin 18, RA1 für zweite LED-Anzeige für den Laserstrahl

Die Box-Biege-Funktion ist anfangs deaktiviert und beim ersten Drücken des Tasters ist die Funktion aktiviert und beim nächsten Drücken der Funktion ist die Funktion deaktiviert.

  Wir schreiben die Anweisungen des Programms, das in der PIC Basic Pro-Programmierung verwendet wird. Wir haben das modulierte Lasersignal verwendet, um externe Laserquellen zu verhindern. Die Erkennung des Eingangssignals ist richtig oder falsch und wird vom Steuerungsprogramm behandelt. Die Erfassung der Signalfrequenz wurde wie folgt verwendet. [9]

  In PIC Basic Pro wird der Befehl PulsIn in einer Variablen der Bedingung 1 oder 0 fortlaufend gezählt. Wir können die Zeit des Impulses und die Ausschaltzeit des Impulses im Wert der Zählvariablen berechnen. Wir haben die kontinuierliche 1 und 0 zweimal gespürt und dann durch zwei geteilt, weil wir bestimmt sein wollen. Die Probennahme von 1 an ist kein Problem; Wir können bis zur abfallenden Flanke warten und die nächsten 0, 1, 0, 1 in Reihe erfassen, dh zwei Zyklen der Signalfrequenz. Wenn die Erfassung von 0 aus gestartet wird, haben wir ein Problem wie lange gewartet wird, bis die Frequenz der ansteigenden Flanke ermittelt wurde. [7]

  Der PulsIn-Befehl benötigt eine Zeitüberschreitung von 131,1 ms. Das ist zu lang für unseren Zustand. Daher verwenden wir die Zeitbegrenzung abhängig von der Häufigkeit einer Zykluszeit. Wenn das Signal zu dieser Zeit über einen Frequenzzyklus 0 ist, haben wir definiert, dass das Eingangssignal nicht vorhanden ist. Und wir haben auch definiert, wenn der gezählte Wert nicht im Bereich von ± 5% des endgültigen Werts liegt, dh das Eingangssignal fehlt. [10]

Abb. 8 Zeitdauer ein Zyklus für jede Frequenz und 1 oder 0 Startbedingung

  Der Box-Bending-Funktionswahlschalter ist ein Drucktastenschalter. Durch Drücken dieser Taste wird die externe Interrupt-Funktion ausgeführt. So ruft das Programm die Interrupt-Unterprogrammfunktion auf, LED-Anzeige ein / aus und Tonsignal schlagen.

  III. ALGORITHMUS ZUR VERARBEITUNGSVERFAHREN

  Gemäß dem Programmablaufplan hat der Mikrocontroller drei Funktionen. Es erfasst die ankommenden drei Signale, die jeweils in einem vorbestimmten Frequenzbereich liegen. Bestimmen Sie anschließend den Sicherheitszustand der Bediener. Danach wird die Ausgabe abhängig vom Zustand der Sicherheitszone zur Überwachung erzeugt.

  Zunächst wartet das System darauf, das Signal vom niedrigsten Laserstrahl (L1-Signal in Abbildung 2) zu erhalten, nach diesem oberen inneren Signal (L-Signal) und dann dem oberen äußeren Signal (L3-Signal). Dieser Bedarf für den gebrauchsfertigen Zustand, wenn einer von diesen nicht erfasst wird, ist der Zustand nicht einsatzbereit, und richten Sie Sender und Empfänger aus. Wenn das System einsatzbereit ist, erfaßt das System das erste Lasersignal, das das Objekt des Werkstücks erfasst. Nachdem das Werkstück den ersten Laserstrahl durchlaufen hat, werden das System den zweiten und dritten Laserstrahl zur Sicherheit überprüft. Der zweite Laserstrahl ist nicht vorhanden, der Zustand ist unsicher und der dritte Laserstrahl fehlt, der Zustand kann sich in der Box-Biegefunktion oder in einem unsicheren Zustand befinden.

  Wir haben einen Box-Biege-Wahlschalter verwendet, der aufgrund einer externen Interrupt-Sonderfunktion den Eingang vom B0-Pin hat. Das System kennt den Sinn der Box-Bending-Funktion, zu jeder Zeit des Prozesses ein- / auszuschalten, denn wenn der Interrupt vom Steuer-Pin eingeht, hält das Programm bei Reichweite an und arbeitet an dem Interrupt-Unterprogramm. Das Interrupt-Unterprogramm ist Start genug, um die dargestellten Wertänderungen auszuführen und erzeugt ein akustisches Summen, und die Überwachungs-LED hängt von den Zuständen Ein oder Aus ab. Die Boxbiegefunktion wird im normal geschlossenen Zustand gestartet.

Abb. 9 Systemflussdiagramm des Bending Guard-Steuersystems

  Beim Erfassen der Frequenz des Signals hat der PIC Basic Pro-Befehl PulsIn die Funktion, die Zeitdauer der Ein- oder Ausschaltzeit des Signals zu zählen. Das Wichtigste ist, dass das Eingangssignal von Störgeräuschen befreit werden muss, da dies zu fehlerhaften Messergebnissen führen kann. Wenn das System gestartet wird, um die Frequenz des Signals zu erfassen, kann dies in zwei Zuständen sein. Der erste ist das Signal der Ausschaltzeit (Intervall 0) und des Signals der Einschaltzeit (Intervall 1). Der Erfassungsprozess wird bis zum nächsten Start des Zustands abgewartet, da der Abtastwert sicher ist und der verlorene Wert des Zeitintervalls vernachlässigt wird.

  Wenn die Erfassung von 0 aus gestartet wird, möchte das System nicht bis zur Überlaufzeit des PulsIn-Befehls (131,1 ms) warten, sodass die Zeitprüfung 1 ms durch Ausführen einer Schleife definiert wird, wie in 10 (a) gezeigt. Es hat eine gute Reaktionszeit für das Fehlen des Erfassungssignals und das hat genügend Zeitintervalle zum Erkennen für jedes Signal. Danach wurde das Einschaltzeitintervall und das Ausschaltzeitintervall zweimal gezählt, um die Dauer der Intervallzeit zu bestimmen. Wenn das Zählen abgeschlossen ist, wird der Zählwert durch zwei geteilt, um nur eine Zeitdauer zu erhalten.

Abb. 10 Systemflussdiagramm des Sensorsignals (a)

Abb. 10 Systemflussdiagramm des Sensorsignals (b)

  In 10 (b) wird das System gestartet, um das Signal von Zeit zu Zeit abzutasten. Das Signal wird bereits von 1 gestartet und es ist nur die Frequenz bekannt. Es wurde also bis zum Ende eines Ein-Zeitintervalls gewartet und danach werden Zeitintervalle gezählt und durch zwei geteilt, um die eine Zeitperiode des Signals zu erhalten.

  IV. RESULTATE UND DISKUSSION

  Das Lasererfassungssystem wird mit einem Ausgang des Frequenzgenerators getestet, um die Frequenzimpulse zu erfassen. Wenn das Ergebnis für die Anzeige des Eingangsfunktionsgenerators und des Zulassungssignals sicher ist, wird der nächste Schritt vom Laserempfänger-Demodulator erfasst. Der Demodulatorausgang ist in Abbildung 11 dargestellt, der Kanal 2 des Oszilloskops ist mit dem Ausgang des Empfängers verbunden, und der Kanal 1 wird mit dem Operationsverstärkerausgang der Laser-Fotodiode gemessen.

Abb. 11 Ausgangssignale in Laserempfängerschaltung

  Der zweite Schritt besteht darin, den Test für drei Eingangssignale und die Interrupt-Funktion zu simulieren, wie in Abbildung 12 dargestellt. Die Eingänge werden von den Impulsgeneratorquellen eingegeben.

Abb. 12 Simulationstestprogramm für die Frequenzabtastschaltung

  Die abschließende Prüfung erfolgt mit der PIC-basierten Steuereinheit und drei modulierten Lasereingangssignalen.

Abb. 12 Testen der Frequenzerkennungsschaltung

  Der Hauptzweck besteht darin, die Signale zu erkennen, die die Sicherheit des Bedieners spüren. Diese Signale werden jeweils an die Eingangspins des Mikrocontrollers geleitet. Der Mikrocontroller hat alle Signale erkannt und bestimmt, in welcher Stufe das Steuersignal erzeugt werden muss, um die Abkantpresse anzuhalten.

  V. SCHLUSSFOLGERUNG

In diesem Projekt ist die Laserbasis-Senderschaltung genau in der spezifizierten Frequenzmodulation. Die Ausgänge der Lasersender werden entsprechend der unterschiedlichen Frequenz des Datensignals moduliert, obwohl die Trägerfrequenz gemeinsam ist. Der Laserempfänger kann den Laserstrahl erfassen und in klarem Zustand verstärken. Die Demodulatorschaltung arbeitete für die Erzeugung eines akzeptablen Ausgangsfrequenzsignals. Das Testen des Sensorsignals ist bemerkenswert.

  Obwohl die meisten Frequenzmesser die Methode des Zählens der ansteigenden Flanken oder der abfallenden Flanken des Erfassungssignals im definierten Zeitintervall verwenden, verwenden Sie hier die Methode des Zählens der Zeitperioden der Einschaltzeit und der Ausschaltzeit des Abtastsignals. Im Ergebnis hat diese Methode die beste Reaktionszeit und gibt den genauen Wert der Frequenz an. Das Ergebnis des Biegeüberwachungssystems hat also eine schnelle Reaktionszeit, um die CNC-Maschine in einer definierten Sicherheitszone zu steuern.