王 勇

WANG Yong

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電設(shè)備維護(hù)中心，蘇州 215104）

0 引言

在數(shù)控機(jī)床使用過(guò)程中，會(huì)遇到一些突發(fā)情況，例如機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分超過(guò)運(yùn)動(dòng)極限位置時(shí)、工人看到主軸刀具與夾具快要撞到時(shí)，此時(shí)機(jī)床可以立刻進(jìn)入緊急急停狀態(tài)，切斷所有進(jìn)給電機(jī)和主電機(jī)的動(dòng)力電以保護(hù)機(jī)床[1]；當(dāng)機(jī)床正在自動(dòng)加工時(shí)，如果防護(hù)門(mén)被打開(kāi)了，所有的進(jìn)給軸應(yīng)該立即鎖住，停止移動(dòng)，以免出現(xiàn)人身傷害事故；正常加工時(shí)，如果刀庫(kù)不在最左面，嚴(yán)禁Z軸移動(dòng)，否則會(huì)將刀庫(kù)或主軸撞壞。因此數(shù)控機(jī)床的急停與安全保護(hù)功能的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，本文詳細(xì)介紹VMC3016L加工中心急停與過(guò)行程硬件控制電路設(shè)計(jì)；行程與急停報(bào)警控制、CNC進(jìn)入急停時(shí)G8.4信號(hào)的控制、軸互鎖控制、Z軸互鎖控制、進(jìn)給暫?？刂频腜MC梯形圖設(shè)計(jì)。

1 急停硬件電路設(shè)計(jì)

如圖1所示，限位控制是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)基本安全功能，由于絲桿的行程有限，數(shù)控車床各軸運(yùn)行是有安全運(yùn)行區(qū)域的，一旦出了此安全區(qū)域，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到極限位置，導(dǎo)致“撞車”事故，將絲桿螺母或工作臺(tái)撞壞[2]，為了限制各軸在安全區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，在工作臺(tái)上安裝了兩個(gè)行程限位開(kāi)關(guān)，以限定軸移動(dòng)的正負(fù)方向行程。

圖1 軸正負(fù)方向行程限位示意圖

圖2 急停按鈕

如圖2所示，為急停按鈕，當(dāng)數(shù)控機(jī)床操作人員或維修人員認(rèn)為機(jī)床發(fā)生緊急情況時(shí)，為了保護(hù)機(jī)床或人身安全，迅速拍下此急?？刂瓢粹o，此時(shí)數(shù)控機(jī)床上的電源放大模塊與伺服模塊的輸入電壓瞬時(shí)切斷，各部分的電機(jī)就無(wú)法動(dòng)作，機(jī)床的所有運(yùn)動(dòng)部件被鎖住，機(jī)床各移動(dòng)軸停止移動(dòng)。一旦危險(xiǎn)或故障排除后，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)急停按鈕，使其復(fù)位，機(jī)床進(jìn)入準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 急停超程硬件電路原理圖

如圖3急停超程硬件電路原理圖所示， X、Y、Z三個(gè)軸正負(fù)方向的行程限位開(kāi)關(guān)信號(hào)（SQX+、SQX-、SQY+、SQY-、SQZ+、SQZ）常閉觸點(diǎn)互相串聯(lián)，控制超程繼電器KA2，為數(shù)控系統(tǒng)提供硬限位超程信號(hào)，在屏幕上出現(xiàn)相應(yīng)的報(bào)警信息，以警示操作者。當(dāng)任一坐標(biāo)軸超程產(chǎn)生超程和急停報(bào)警之后，需要按住超程釋放按鈕讓超程繼電器KA2與急停繼電器KA1得電，急停報(bào)警消除，然后移動(dòng)軸，使其往超程的反方向移動(dòng)，當(dāng)行程限位擋塊離開(kāi)行程開(kāi)關(guān)后就可以松掉超程釋放按鈕。六個(gè)行程限位開(kāi)關(guān)信號(hào)再與急停按鈕的常閉觸點(diǎn)信號(hào)串聯(lián)，控制急停繼電器KA1。電源模塊PSM（Power Supply Module）的CX4端子接急停繼電器KA1信號(hào)的常開(kāi)觸點(diǎn)[3]，作為電源模塊PSM的急停輸入信號(hào)，作為電源模塊工作與否的一個(gè)條件。在FANUC 0I數(shù)控系統(tǒng)中，I/O LINK子單元以開(kāi)關(guān)量I/O單元為主，處理一些輸入輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，這里將急停繼電器的一個(gè)信號(hào)KA1常開(kāi)觸點(diǎn)接到CB105接口上的A08腳，信號(hào)地址為X8.4，這個(gè)信號(hào)必須接到CB105接口上的A08腳，因?yàn)榧蓖Ｐ盘?hào)的輸入地址X8.4是FANUC系統(tǒng)自定義的，不充許用戶修改[5]，由數(shù)控系統(tǒng)CNC直接讀取這個(gè)急停信號(hào)X8.4，當(dāng)此信號(hào)為0時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)立即進(jìn)入急停狀態(tài)。將超程繼電器的信號(hào)KA2常開(kāi)觸點(diǎn)接到CB105接口上的B08腳，信號(hào)地址為X8.5，供系統(tǒng)過(guò)行程報(bào)警用。

正常情況下（沒(méi)有急停狀況或超程），此時(shí)KA1與KA2繼電器得電吸合，電源模塊PSM的CX4接頭得到KA1閉合信號(hào)，進(jìn)入正常工作狀態(tài)，為后面的伺服驅(qū)動(dòng)器提供直流母線電壓300V，I/O LINK上CB105接口上的X8.4信號(hào)得到24V，狀態(tài)變?yōu)?，無(wú)系統(tǒng)急停報(bào)警；同樣，X8.5信號(hào)狀態(tài)也為1，無(wú)超程報(bào)警，機(jī)床此時(shí)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

2 急停安全保護(hù)功能PMC程序設(shè)計(jì)與分析

2.1 過(guò)行程與急停報(bào)警控制

當(dāng)X、Y或Z三坐標(biāo)方向過(guò)行程，超程繼電器KA2失電，KA2常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，X8.5不能得到24V，使得X8.5=0，如圖4所示，此時(shí)輸出A0.0=1，數(shù)控系統(tǒng)屏幕上顯示EX1000 OVER TRAVEL（過(guò)行程報(bào)警）（對(duì)應(yīng)信息顯示位：A0.0）。當(dāng)工作臺(tái)移出超程區(qū)域，超程繼電器KA2得電，使得X8.5=1，此時(shí)輸出A0.0=0，無(wú)超程報(bào)警。

圖4 過(guò)行程與急停報(bào)警控制梯形圖

當(dāng)拍下急停按鈕時(shí)，急停控制繼電器KA1失電，其常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，X8.4不能得到24V，使得X8.4=0，如圖4所示，此時(shí)輸出A0.3=1，數(shù)控系統(tǒng)屏幕上顯示EX1003 EMERGENCY STOP （急停報(bào)警EMG，如圖5所示）(對(duì)應(yīng)信息顯示位：A0.3)[4]。

圖5 FANUC系統(tǒng)急停報(bào)警畫(huà)面

2.2 CNC進(jìn)入急停G8.4信號(hào)的控制

FANUC 0I系統(tǒng)的PMC→CNC信號(hào)（G信號(hào)）、CNC→PMC信號(hào)（F信號(hào)）由CNC系統(tǒng)軟件定義其地址的，是固定的，用戶只可使用不可更改[5]。G8.4是PMC向CNC發(fā)出的急停輸出信號(hào)，一旦G8.4=0，CNC立刻進(jìn)入急停狀態(tài)?？刂埔螅哼^(guò)行程、急停、主軸異常、氣源壓力低、冷卻泵電機(jī)過(guò)載時(shí)，使G8.4=0。

如圖6所示，當(dāng)過(guò)行程報(bào)警A0.0=1，或主軸異常報(bào)警A0.l=1，或氣源壓力低報(bào)警A0.2=1，或急停報(bào)警A0.3=1，或主軸冷卻泵電機(jī)過(guò)載報(bào)警Al.4=1時(shí)，輸出R515.7=1（報(bào)警寄存器，控制急停）。

圖6 G8.4信號(hào)的控制梯形圖

五個(gè)報(bào)警信號(hào)A0.0、A0.l、A0.2、A0.3、A1.4采取并聯(lián)輸入，它們都使用常開(kāi)觸點(diǎn)。即當(dāng)其中任何一個(gè)報(bào)警信號(hào)輸入為1時(shí)，R515.7輸出1，使得G8.4變?yōu)?，（在圖中可看到G8.4的標(biāo)志是*ESP，F(xiàn)ANUC數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定：帶*號(hào)的標(biāo)志為零時(shí)該信號(hào)有效）[5]，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入急停；G71.1是第一串行主軸急停信號(hào)*ESPA，因?yàn)楸緳C(jī)床采用的是FANUC串行主軸，串行主軸正常工作的前提條件是G71.1為1，為0時(shí)處于急停狀態(tài)，串行主軸伺服驅(qū)動(dòng)器禁止輸出，此時(shí)主軸停轉(zhuǎn)，也就是當(dāng)出現(xiàn)過(guò)行程、外部急停、主軸異常、氣源壓力低、冷卻泵電機(jī)過(guò)載時(shí)，使G71.1=0，串行主軸進(jìn)入急停狀態(tài)，主軸立刻停轉(zhuǎn)。

2.3 軸互鎖控制

當(dāng)進(jìn)入急停狀態(tài)或過(guò)行程或機(jī)床門(mén)打開(kāi)時(shí)，使機(jī)床各軸鎖住，禁止其移動(dòng)，以保護(hù)機(jī)床?？刂铺菪螆D如圖7所示，G8.0(*IT)是所有軸互鎖信號(hào)（為0時(shí)各軸伺服關(guān)斷）、G130.0(*IT1)是X軸互鎖信號(hào)（為0時(shí)X軸伺服關(guān)斷）、G130.1(*IT2)是Y軸互鎖信號(hào)（為0時(shí)Y軸伺服關(guān)斷）、G7.5(*FLWU)是伺服關(guān)斷、急停或伺服報(bào)警期間的位置跟蹤信號(hào)（為0時(shí)支持跟蹤）。

圖7 軸互鎖控制梯形圖

當(dāng)CNC不在急停狀態(tài)即G8.4=1時(shí)，此時(shí)輸出R515.0=1（報(bào)警解除），同時(shí)機(jī)床保護(hù)門(mén)關(guān)閉信號(hào)R524.3為1時(shí)，G8.0、G130.0、G130.1三個(gè)信號(hào)為1，伺服軸可以移動(dòng)，否則G8.0、G130.0、G130.1三個(gè)信號(hào)為0，伺服軸關(guān)斷[6]。

2.4 Z軸互鎖控制

因?yàn)榱⑹郊庸ぶ行牡腪軸比較特殊，此臺(tái)加工中心是斗笠式刀庫(kù)換刀，換刀時(shí)，刀庫(kù)要從最左面移到最右面（靠近主軸側(cè)，而主軸是由Z軸帶動(dòng)上下移動(dòng)的），刀庫(kù)在插刀和還刀時(shí)，嚴(yán)禁Z軸移動(dòng)，否則會(huì)將刀庫(kù)或主軸撞壞[7]，這是一個(gè)很重要的安全保護(hù)功能，所以這里設(shè)計(jì)在執(zhí)行M6換刀指令時(shí)、或是刀庫(kù)在最右側(cè)時(shí)，Z軸要鎖住，不能移動(dòng)，如圖8中Z軸互鎖控制梯形圖所示，當(dāng)執(zhí)行M6換刀指令時(shí)，其標(biāo)志位R622.0=1，梯形圖中的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，或者刀庫(kù)在最右側(cè)，其標(biāo)志位R528.5=1，梯形圖中的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，此時(shí)若有一個(gè)條件滿足，則輸出R511.5=0（Z軸鎖定標(biāo)志）， G130.2(*IT3)是Z軸互鎖信號(hào)為0， Z軸伺服關(guān)斷，無(wú)法移動(dòng)。

圖8 Z軸互鎖控制梯形圖

2.5 進(jìn)給暫?？刂?/h3>

圖9 進(jìn)給暫停控制梯形圖

G8.5(*SP)是進(jìn)給暫停信號(hào)（為0時(shí)各軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)暫停）[8]，正常加工時(shí)，必須使G8.5為1，以下是循環(huán)暫停控制過(guò)程，如圖9所示，循環(huán)暫停按鍵SW3，信號(hào)地址是X0.1，X0.1的信號(hào)線是接到此按鍵的常閉觸點(diǎn)上的，正常加工時(shí)，此觸點(diǎn)是閉合的，只有按下循環(huán)暫停按鍵后，此觸點(diǎn)才斷開(kāi)，X0.1=0，使G8.5=0，這樣程序就停止運(yùn)行，并且沒(méi)產(chǎn)生A45、A23報(bào)警R518.2=1、R518.1=1，并且準(zhǔn)備好信號(hào)R100.1=1，M01、MOO指令沒(méi)有執(zhí)行R530.3=O、R554.3=0，并且沒(méi)有產(chǎn)生冷卻電機(jī)過(guò)載報(bào)警A2.4=0，并且在執(zhí)行主軸速度S代碼時(shí)沒(méi)產(chǎn)生刀具沒(méi)有抓緊報(bào)警A4.6=0時(shí)[9]，輸出G8.5=1（進(jìn)給不暫停）。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了為數(shù)控機(jī)床營(yíng)造一個(gè)安全運(yùn)行環(huán)境，更重要是數(shù)控機(jī)床自身要有各種安全保護(hù)功能，通過(guò)自身的安全保護(hù)功能PMC程序監(jiān)控外圍的一些不安全因素，及時(shí)處理，以免出現(xiàn)嚴(yán)重的問(wèn)題，例如潤(rùn)滑油沒(méi)有了，不能只簡(jiǎn)單的出現(xiàn)潤(rùn)滑油位低報(bào)警，還要使程序進(jìn)入暫停狀態(tài)，這樣是為了保護(hù)進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)因缺油而受損。實(shí)踐證明，采用上述急停、過(guò)行程和安全保護(hù)功能設(shè)計(jì)的VMC3016L的加工中心安全故障極少，其他故障率也較低，更沒(méi)有出現(xiàn)撞機(jī)導(dǎo)致?lián)p壞機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的事故。

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