劉 清

（中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司成都?jí)嚎s機(jī)分公司，四川成都 610100）

0 引言

數(shù)控機(jī)床的普及，是進(jìn)入數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機(jī)電一體化時(shí)代的標(biāo)志。高速、高效、高精、復(fù)合的現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床已經(jīng)逐漸成為機(jī)加工設(shè)備的主流。使用功能強(qiáng)大的數(shù)控機(jī)床設(shè)備時(shí)，考慮到設(shè)備運(yùn)行時(shí)可能對(duì)人和設(shè)備造成的損害，采取相應(yīng)措施，最大限度保護(hù)人員和設(shè)備的安全。機(jī)械產(chǎn)品的安全防護(hù)，不同國(guó)家和地區(qū)有不同的要求，其中歐盟國(guó)家的機(jī)械產(chǎn)品都必須通過(guò)CE（CONFORMITE EUROPEENNE，歐洲統(tǒng)一）認(rèn)證，為確保操作人員的人身安全及財(cái)產(chǎn)安全，CE認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)控機(jī)床的安全防護(hù)有詳細(xì)要求。西門子840D SL數(shù)控系統(tǒng)提供的安全集成功能滿足歐盟CE認(rèn)證的要求和標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用在大量的數(shù)控機(jī)床安全防護(hù)方案中。以?shī)W地利生產(chǎn)的一臺(tái)M120車鏜銑加工中心為例，解析數(shù)控機(jī)床安全防護(hù)方案。

1 機(jī)床安全防護(hù)方案

1.1 M120車鏜銑加工中心

1臺(tái)奧地利WFL公司制造M120車鏜銑加工中心，于2014年7月安裝調(diào)試完畢并投入使用,機(jī)床最大加工長(zhǎng)度6500 mm,回轉(zhuǎn)直徑1140 mm，最大工件重量1500 kg。該機(jī)床能很好的實(shí)現(xiàn)車、鏜、銑等金屬切割操作，并附帶打磨、拋光、壓花和滾花等成型操作。該機(jī)床具有較大的生產(chǎn)靈活性，可以最大程度縮短停工時(shí)間和工藝規(guī)劃時(shí)間，提高機(jī)床工作效率。為了適應(yīng)復(fù)雜加工及刀具多樣性的需要，M120加工中心配備有刀庫(kù)系統(tǒng)。該磨床按照歐盟CE認(rèn)證要求設(shè)計(jì)，應(yīng)用諸多西門子840D SL安全集成系統(tǒng)功能，在歐盟生產(chǎn)的數(shù)控設(shè)備安全防護(hù)設(shè)計(jì)方面具有一定的代表性。

1.2 安全集成系統(tǒng)硬件組成

M120車鏜銑加工中心數(shù)控系統(tǒng)采用西門子840D SL，伺服驅(qū)動(dòng)采用S120數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，PLC（Programmable Logic Control，可編程邏輯控制）采用S7-300可編程控制器，并使用ProfiNET做為現(xiàn)場(chǎng)通信總線，同時(shí)使用ET200s安全I(xiàn)/O模塊做為ProfiSAFE的安全輸入輸出信號(hào)模塊。

1.3 安全防護(hù)方案需要完成的任務(wù)

M120車鏜銑加工中心的安全集成系統(tǒng)負(fù)責(zé)安全監(jiān)控所有軸/主軸驅(qū)動(dòng)裝置。SPL根據(jù)保護(hù)門位置、急停操作設(shè)備和確認(rèn)鍵的接通狀態(tài)來(lái)釋放有危險(xiǎn)的機(jī)床移動(dòng)。安全防護(hù)方案需要完成下列的安全任務(wù)：

（1）通過(guò)打開機(jī)身保護(hù)門來(lái)激活機(jī)身軸的安全運(yùn)行停止（SBH）。

（2）主軸只有處于安全停止?fàn)顟B(tài)（SH），才可以手動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

（3）按下機(jī)身確認(rèn)鍵時(shí)，如果保護(hù)門開啟，則使用安全速度1 功能（SG1＜2 m/min＜50 r/min）替代安全運(yùn)行停止（SBH）。

（4）機(jī)身保護(hù)門關(guān)閉時(shí)，才可以激活安全速度2功能（SG2快速移動(dòng)）

（5）通過(guò)打開手動(dòng)裝料門來(lái)激活刀庫(kù)（滾筒式刀庫(kù)）軸的安全運(yùn)行停止（SBH）。手動(dòng)裝料門關(guān)閉時(shí)，安全速度1功能（SG1快速移動(dòng)）激活。

（6）通過(guò)打開機(jī)身保護(hù)門和敞開的更換裝置蓋板來(lái)激活換刀器軸的安全運(yùn)行停止（SBH）。

（7）機(jī)身保護(hù)門或更換裝置蓋板關(guān)閉時(shí)，安全速度2功能（SG2快速移動(dòng)）激活。

（8）所有線性軸的終端位置（行程終點(diǎn)）通過(guò)安全終端功能（SE）進(jìn)行監(jiān)控。

（9）接通機(jī)床后或達(dá)到適當(dāng)?shù)臏y(cè)試條件（保護(hù)門和刀具—手動(dòng)裝料門已關(guān)閉，機(jī)床處于復(fù)位狀態(tài)，無(wú)故障，全部軸處于靜止?fàn)顟B(tài)），系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)與安全相關(guān)的駐車制動(dòng)器和安全集成的停機(jī)路徑等狀態(tài)進(jìn)行安全檢測(cè)。測(cè)試停止之后才能再次啟動(dòng)程序。

2 機(jī)床安全防護(hù)原理

M120車鏜銑加工中心安全防護(hù)方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，PLC—SPL和 NCK—SPL組成的 SPL（Safe Programmable Logic，安全可編程邏輯）同SINUMERIK安全集成在一起完成Millturn—機(jī)床中的所有安全任務(wù)。為了檢查2個(gè) SPL的功能性，需要在系統(tǒng)程序中對(duì) PLC和NCK（Numerical Control Kernel，數(shù)控內(nèi)核）之間的周期性數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，這些數(shù)據(jù)包括進(jìn)入SPL的信號(hào)、SPL生成的安全信號(hào)以及內(nèi)部狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

840D SL安全集成系統(tǒng)通過(guò)對(duì)上面2個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性比較,實(shí)現(xiàn)雙通道檢測(cè)功能，任何一個(gè)通道控制失效時(shí),還能使用另外一個(gè)通道的控制保證安全控制功能的正確實(shí)現(xiàn)。SPL程序同時(shí)在NC和PLC系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行，并實(shí)時(shí)同步監(jiān)控檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)雙通道信號(hào)的不同步時(shí)間超過(guò)設(shè)定值（一般設(shè)定值為500 ms），系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為NC和PLC的信號(hào)狀態(tài)不一致，數(shù)控系統(tǒng)將立即產(chǎn)生報(bào)警，并使伺服軸立即安全停止并切斷伺服轉(zhuǎn)矩輸出和伺服使能。其中安全門鎖、雙手操作按鈕和急停按鈕等信號(hào)對(duì)操作人員的人身安全以及機(jī)床設(shè)備的財(cái)產(chǎn)安全起到至關(guān)重要的作用，因此根據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)將這些輸入輸出信號(hào)規(guī)定為高等級(jí)的信號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)安全功能，這些I/O信號(hào)必須使用雙通道功能的電氣元件，且PLC的安全I(xiàn)/O模塊也必須使用雙通道的安全模塊。

圖1 安全防護(hù)方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 機(jī)床安全防護(hù)維修

840D SL安全集成系統(tǒng)兩側(cè)一樣的邏輯說(shuō)明了SPL程序的嚴(yán)謹(jǐn)性，交叉校驗(yàn)非常有效，雖然邏輯相同，但兩路信號(hào)卻真實(shí)存在，從原理上講采取的是不同的控制方式，但為了時(shí)刻校驗(yàn)其正確與否，必然是兩者相同的邏輯。邏輯條件的意義在于在同一個(gè)安全周期內(nèi)，確保SPL的各個(gè)系統(tǒng)變量的校驗(yàn)和不出問(wèn)題。出了問(wèn)題，也是兩路保護(hù)，更加確保硬件和人員的安全。從維修角度考慮，如果出現(xiàn)安全集成功能方面的報(bào)警信息，說(shuō)明雙通道校驗(yàn)出錯(cuò)，一定是先查看對(duì)應(yīng)的雙通道的值分別是什么，它們對(duì)應(yīng)的邏輯條件有沒有問(wèn)題，再確認(rèn)實(shí)物是否損壞，從而判斷是哪一路的問(wèn)題，有針對(duì)性地解決，這就是針對(duì)安全集成系統(tǒng)的維修思路。

維修安全集成系統(tǒng)時(shí)，可以通過(guò)查看數(shù)控系統(tǒng)診斷畫面的監(jiān)控信息進(jìn)行故障診斷，能快速確認(rèn)安全集成報(bào)警類型。

案例一。機(jī)床出現(xiàn)“27001軸MW1交叉校對(duì)錯(cuò)誤，201750軸MW1編碼器硬件故障?！陛SMW1為機(jī)床支架1移動(dòng)軸，查看診斷界面，發(fā)現(xiàn)NCK伺服軸坐標(biāo)位置和Drive安全編碼器坐標(biāo)位置存在誤差且超過(guò)相關(guān)設(shè)定公差值，因此引起伺服軸立即STOP A停止，并產(chǎn)生相關(guān)安全集成報(bào)警。一般情況下，編碼器信號(hào)進(jìn)入伺服驅(qū)動(dòng)，光柵尺信號(hào)輸入NC端，兩者數(shù)值不同，差距增大到一定程度就會(huì)報(bào)警。最后檢查發(fā)現(xiàn)，軸MW1電機(jī)編碼器損壞，更換編碼器后機(jī)床恢復(fù)正常。

案例二。機(jī)床使用過(guò)程中出現(xiàn)“安全防護(hù)滑動(dòng)門鎖故障?！薄癋模塊199，通道出錯(cuò)?！睓C(jī)床無(wú)法正常運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)防護(hù)滑動(dòng)門安全功能，安全防護(hù)門采用雙信號(hào)方式，門鎖I/O信號(hào)采用雙通道功能的電氣元件，信號(hào)通過(guò)2個(gè)通道分別進(jìn)入INSE和INSEP，當(dāng)一個(gè)門開關(guān)信號(hào)丟失，另一個(gè)信號(hào)完好時(shí)，會(huì)觸發(fā)門信號(hào)安全報(bào)警。通過(guò)PLC界面查看膠條滑動(dòng)保護(hù)正常的2路信號(hào)，$A_INSE[08]為1，INSEP[08]為 0，最終確認(rèn)安全防護(hù)滑動(dòng)門一邊膠條內(nèi)的感應(yīng)開關(guān)損壞，造成一個(gè)門關(guān)閉信號(hào)丟失而發(fā)出報(bào)警。更換損壞的膠條，設(shè)備恢復(fù)正常。

案例三。機(jī)床開機(jī)時(shí)出現(xiàn)多個(gè)安全信息報(bào)警，“F模塊198，通道出錯(cuò)?！倍啻螁?dòng)系統(tǒng)，無(wú)法消除報(bào)警。打開電氣柜查看，發(fā)現(xiàn)編號(hào)198安全I(xiàn)/O模塊PR0FIsafe（訂貨6ES7138-4FA05-0AB0)的所有指示燈不亮，判斷該模塊損壞，造成相關(guān)的安全功能報(bào)警。更換新的安全I(xiàn)/O模塊時(shí)要注意，每個(gè)安全模塊的F_dest_address參數(shù)是按順序依次從200開始排序，更換時(shí)必須將模塊的DIP switch setting（9—0）設(shè)置相對(duì)應(yīng)的開關(guān)量值，例如：安全輸入模塊1參數(shù)F_dest_address設(shè)為200，則DIP switch setting需設(shè)置為0011001000，且安全模塊自身的撥碼開關(guān)應(yīng)與其一致。更換后，機(jī)床恢復(fù)正常。

案例四。機(jī)床使用過(guò)程中，由于操作原因，Y軸到達(dá)軟限位時(shí)該坐標(biāo)安全停車。安全集成中的軟限位采取雙通道同時(shí)監(jiān)控軸的位置信息，一旦超過(guò)坐標(biāo)軸設(shè)定的限位值，系統(tǒng)會(huì)選擇參數(shù)定義的安全停車。遇到這種情況，先打開西門子840D SL的HMI操作界面中“安全協(xié)議”選項(xiàng)界面，將信息提示軸的坐標(biāo)框選掉，即去掉打叉，這時(shí)安全軟限位功能暫時(shí)失效，操作者按相反的方向把Y軸開到一個(gè)正常的位置，重新選擇“用戶協(xié)議”生效后，安全軟限位開關(guān)功能被重新激活，Y軸可以正常使用。

4 結(jié)語(yǔ)

安全集成功能作為未來(lái)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向之一，在歐盟國(guó)家的大型數(shù)控設(shè)備中已經(jīng)基本普及，但在國(guó)內(nèi)的機(jī)床設(shè)備上還處于起步階段。應(yīng)根據(jù)機(jī)床的危險(xiǎn)程度，借鑒歐盟的先進(jìn)安全防護(hù)經(jīng)驗(yàn)，采取不同方案，達(dá)到最佳的安全防護(hù)效果。最大限度保障操作人員和設(shè)備的安全，減少意外事故發(fā)生的概率，提高機(jī)床使用的安全性和可靠性。在維修安全集成功能時(shí)，要從系統(tǒng)工作原理入手，努力掌握維修方法和技巧，以達(dá)到事半功倍的維修效果。