經(jīng)濟型數(shù)控機床安全防護門自動化改造的研究與實踐

韋建軍，李派霞

（欽州學(xué)院工程訓(xùn)練中心，廣西 欽州535011）

目前，中小型機械制造企業(yè)的零件加工設(shè)備多以經(jīng)濟型數(shù)控機床為主，其生產(chǎn)主要是采用一個操作工同時操作幾臺數(shù)控機床進行零件加工的“加工島”模式進行，伴隨著勞動力成本的不斷提高，以生產(chǎn)低附加值機械零件為主的機械制造企業(yè)生存空間受到進一步擠壓，“機器換人”在中小型機械制造企業(yè)顯得尤為迫切。

1 總體研制方案設(shè)計

鑒于設(shè)備投資大的原因，中小型機械制造企業(yè)的“機器換人”大多是在原有經(jīng)濟型數(shù)控機床的基礎(chǔ)上進行，而經(jīng)濟型數(shù)控機床安全防護門大多是靠人工開關(guān)，對其進行開關(guān)門的自動化改造是中小型機械制造企業(yè)實現(xiàn)零件加工“機器換人”的關(guān)鍵一步。文獻[1]和文獻[2]都從安全生產(chǎn)的角度出發(fā)，利用單片機控制數(shù)控機床安全防護門開關(guān)實現(xiàn)對機床操作人員在零件加工過程中的安全保護，是對安全防護門自動開關(guān)改造的雛形，還未達到無人工干預(yù)的“機器換人”目的。因中小型機械制造企業(yè)“機器換人”才剛起步，對數(shù)控機床安全防護門開關(guān)的自動化改造研究還較少，本文將以大連機床集團生產(chǎn)的CKD6150A數(shù)控車床（FANUC 0i系統(tǒng)）為例，通過自定義安全防護門開關(guān)M指令，利用PMC控制氣動電磁換向閥來改變氣路流向，實現(xiàn)氣缸活塞對數(shù)控機床安全防護門的自動開關(guān)，達到無人工干預(yù)的目的。數(shù)控機床安全防護門開關(guān)的自動化改造成功研制，將為中小型機械制造企業(yè)零件加工“機器換人”的實現(xiàn)具有一定的借鑒作用。

本著無人工干預(yù)，實施“機器換人”的總體思路，本方案要求工件在機床上定位夾緊后，按下循環(huán)啟動按鈕，安全防護門先自動關(guān)閉，數(shù)控機床才按照零件加工程序?qū)ぜM行加工，當(dāng)工件加工完畢，數(shù)控機床停止運行，安全防護門才能自動打開。

基于安全防護門自動開關(guān)的以上要求，利用數(shù)控機床PMC可自定義M代碼指令的功能，自定義安全防護門開關(guān)的M代碼M82/M83，其中，M82是安全防護門開指令、M83是安全防護門關(guān)指令。編寫零件數(shù)控加工程序時，在程序第一段寫入M83指令，在程序最后一段寫入M82指令，可以確保安全防護門的開關(guān)可以按照以上要求執(zhí)行。安全防護門開關(guān)的執(zhí)行機構(gòu)可以采用氣動系統(tǒng)實現(xiàn)，用一雙作用氣缸固定于數(shù)控機床的固定防護罩上，通過螺栓將氣缸活塞與安全防護門聯(lián)接，雙作用氣缸活塞的運動方向則由氣動電磁換向閥控制，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行零件加工程序到M83/M82時，通過PMC控制電磁換向閥得電/失電，從而控制電磁換向閥的閥芯位置來改變氣路的氣體流向，實現(xiàn)安全防護門的自動開關(guān)[3]。通過自定義安全防護門開關(guān)M指令、PMC程序、氣動系統(tǒng)等建立起的聯(lián)系，可以達到本設(shè)計的要求。

2 控制系統(tǒng)運行機制分析

2.1 數(shù)控機床M指令執(zhí)行過程的分析

一臺數(shù)控機床是由CNC系統(tǒng)、PMC和機床三者組成，其中PMC作為數(shù)控機床的信息交換中心起著連接CNC系統(tǒng)和機床的作用，三者之間的關(guān)系如圖1所示。其中，CNC系統(tǒng)包括硬件和軟件以及與CNC系統(tǒng)連接的外圍設(shè)備如顯示器、MDI面板等；機床包括機床機械部分及其啟動、冷卻、氣動、潤滑等輔助裝置，機床操作面板、強電控制線路等。規(guī)定信息流為：PMC發(fā)給CNC系統(tǒng)為G信號，CNC系統(tǒng)發(fā)給PMC為F信號，其含義及地址都是系統(tǒng)事先定義好的，PMC編程人員和用戶只能使用；機床發(fā)給PMC的為X信號，其含義及地址除個別外大部分信號可由PMC編程人員定義，而PMC輸出到機床的為Y信號，其含義及地址全部可由PMC編程人員來定義。數(shù)控機床在執(zhí)行零件加工程序中的M代碼時，是由CNC系統(tǒng)和PMC協(xié)調(diào)配合共同完成的[3]。

圖1 CNC系統(tǒng)、PMC、機床信息流

當(dāng)CNC系統(tǒng)運行零件加工程序執(zhí)行到M代碼指令時，CNC系統(tǒng)把M指令以其對應(yīng)的二進代碼形式存儲在PMC的M代碼存儲器中，經(jīng)過延遲固定時間后，再向PMC發(fā)出M選通信號MF的F指令。當(dāng)PMC接收到CNC系統(tǒng)向其發(fā)出的M選通信號MF的F指令后，會根據(jù)M代碼存儲器中的二進代碼內(nèi)容設(shè)置對應(yīng)的M指令譯碼成功，并向機床輸出控制信號，使機床相應(yīng)的強電控制線路動作，實現(xiàn)機床電器元件得電或失電，完成執(zhí)行機構(gòu)的動作。在M指令執(zhí)行結(jié)束后，PMC將執(zhí)行一致性檢測指令，檢測所有M指令是否都滿足執(zhí)行結(jié)束條件。當(dāng)所有M指令都滿足結(jié)束條件和M指令選通指令有效時，PMC向CNC系統(tǒng)發(fā)出結(jié)束FIN信號G指令。在接收到PMC發(fā)出的G指令后，CNC系統(tǒng)延遲固定時間后先切斷M指令選通信號，然后切斷FIN信號，再切斷M代碼輸出信號，M指令執(zhí)行完畢[3]。

2.2 氣動系統(tǒng)執(zhí)行過程分析

安全防護門開關(guān)的執(zhí)行機構(gòu)是雙作用氣缸，利用氣缸活塞桿的伸縮動作可以實現(xiàn)防護門的開關(guān)。如圖2所示，當(dāng)壓縮空氣從氣缸前氣孔進氣、從后氣孔出氣時，氣缸活塞桿右移，防護門打開，反之，氣缸活塞左移，防護門關(guān)閉。

圖2 雙作用氣缸工作原理

控制壓縮空氣流向的主要依靠氣動電磁換向閥。如圖3所示，是二位五通電磁換向閥的工作原理圖，當(dāng)換向閥的線圈處于不通電的斷電狀態(tài)時，在彈簧彈力的作用下，先導(dǎo)閥右移封閉孔2與孔3的通道，使孔1與孔2連通進氣、孔4與孔5出氣。而當(dāng)換向閥的線圈處于通電狀態(tài)時，靜鐵芯產(chǎn)生電磁力使先導(dǎo)閥左移，封閉孔4與孔5的通道，使孔1與孔4連通進氣、孔2與孔3連通出氣。電磁換向閥的孔2、孔4通過氣管分別與氣缸的前后孔相連，孔1通過氣管與氣源相連，孔3、孔5可直接向外排氣。由此可見，通過控制二位五通電磁換向的線圈的得失電，可以控制壓縮空氣的流向，使氣缸活塞實現(xiàn)伸縮動作而達到防護門開關(guān)門的目的。

圖3 二位五通電磁換向閥工作原理

3 安全防護門自動開關(guān)PMC程序設(shè)計

根據(jù)總體方案設(shè)計要求，結(jié)合數(shù)控機床M指令執(zhí)行過程的分析，開展安全防護門自動開關(guān)的PMC程序設(shè)計，表1是自定義PMC執(zhí)行動作控制I/O信號地址表，表中自定義的地址不能與PMC內(nèi)設(shè)地址重復(fù)，避免出現(xiàn)沖突。

表1 自定義PMC執(zhí)行動作控制I/O信號地址表

依據(jù)CNC系統(tǒng)M指令的執(zhí)行過程和氣動系統(tǒng)運行過程分析，結(jié)合自定義的PMC程序執(zhí)行動作控制I/O地址表，設(shè)計出數(shù)控機床在自動運行方式下的安全防護門自動開關(guān)PMC控制程序，如圖4所示。

圖4 安全防護門自動開關(guān)PMC控制程序

當(dāng)CNC系統(tǒng)執(zhí)行零件加工程序遇到輔助功能M83（關(guān)門）指令時，先把M83指令以與其對應(yīng)的二進代碼形式存儲到PMC的M代碼寄存器F10中，并經(jīng)過延遲固定時間后以F指令的形式向PMC發(fā)出M指令選通信號MF。當(dāng)PMC接到M指令選通信號MF的F指令時，會執(zhí)行二進譯碼指令DECB，此時F10的內(nèi)容為二進制M83代碼，將使M83譯碼信號DM83置為1，M83信號R0222.3輸出有效即為1[3]。

當(dāng)M83信號R0222.3輸出有效，同時M82信號R0222.4輸出無效時，安全防護門關(guān)閉信號MOFF有效并自鎖，這時PMC向機床輸出控制信號M-C使中間繼電器KA和接觸器KM上電，電磁換向閥動作使安全防護門關(guān)閉，同時安全防護門指示燈M-L輸出有效即亮[3]。

當(dāng)正執(zhí)行M83信號（R0222.3）為1，M-C也為1時，M83-FIN信號輸出有效即為1，滿足安全防護門關(guān)閉M83執(zhí)行結(jié)束條件。這時PMC會執(zhí)行一致性檢測指令COIN，R0270的二進制代碼值與COIN設(shè)置值作比較，結(jié)果不一致，這樣M0～M100任一指令都滿足這些結(jié)束條件，M0～M100F 信號（R0285.0）將為 1，M 指令執(zhí)行結(jié)束條件滿足，信號M-FIN輸出有效。當(dāng)MFIN信號為1，同時MF信號也為1時，PMC向CNC發(fā)出FIN信號（G4.3）。當(dāng)CNC接收到FIN指令時，延時固定時間后先切斷MF信號，再切斷FIN信號，然后切斷M83代碼輸出信號，M83指令執(zhí)行完畢[3]。

當(dāng)CNC執(zhí)行數(shù)控加工程序遇到M82（開門）指令時，M82（開門）指令的執(zhí)行過程與M83（關(guān)門）指令的執(zhí)行過程相同。

4 安全防護門自動開關(guān)氣動系統(tǒng)設(shè)計

安全防護門開啟和關(guān)閉采用一標(biāo)準(zhǔn)氣缸執(zhí)行，將氣缸用螺栓固定于數(shù)控機床的固定防護罩上，氣缸活塞與防護門用螺栓聯(lián)接。如圖5所示為安全防護門自動開關(guān)的氣路控制原理，氣缸活塞的運動方向通過一個兩位五通電磁換向閥控制氣路流向來實現(xiàn)，而兩位五通電磁換向閥的動作則是由PMC的輸出信號進行控制，即當(dāng)CNC執(zhí)行數(shù)控加工程序至M83時，PMC向電磁換向閥輸出得電信號，電磁換向閥的線圈得電，靜鐵芯產(chǎn)生電磁力，閥芯動作使1、2導(dǎo)通進氣，4、5導(dǎo)通排氣，氣缸活塞左移，防護門關(guān)閉；當(dāng)CNC執(zhí)行數(shù)控加工程序至M82時，PMC向電磁換向閥輸出失電信號，電磁換向閥的線圈不通電，靜鐵芯的電磁力消除，閥芯復(fù)位動作使1、4導(dǎo)通進氣，2、3導(dǎo)通排氣，氣缸活塞右移，防護門開啟。

圖5 安全防護門氣路控制原理

考慮到來自于空氣壓縮機儲氣罐內(nèi)的空氣的清潔度、安全防護門自動開關(guān)的平穩(wěn)性，以及電磁換向閥和氣缸等氣動系統(tǒng)元件活動部位的潤滑，在二位五通電磁換向閥與氣源之間安裝一個包含空氣濾清器、減壓閥和油霧器在內(nèi)的氣動三聯(lián)件。

5 安全防護門開關(guān)PMC程序機床加載和驗證

啟動FANUC LADDER-8.0軟件，進行系統(tǒng)參數(shù)、符號注釋、程序等方面的錄入并編譯，然后在“EXPORT對話框”中選擇Memory-card Format File文件類型輸出文件，保存到CF卡上。

把存有PMC程序的CF卡插到數(shù)控系統(tǒng)的存儲卡接口上，啟動系統(tǒng)后，設(shè)定I/O通道為4，進入PMC維護界面選擇“功能”為“讀取”、“裝置”為“存儲卡”后，選執(zhí)行系統(tǒng)讀入CF卡PMC程序。當(dāng)狀態(tài)欄顯示“正常結(jié)束”時，重新設(shè)置“功能”為“寫”、“裝置”為“FLASH ROM”后執(zhí)行。當(dāng)再次顯示“正常結(jié)束”即加載成功。

將PMC與二位五通電磁換向閥、數(shù)控機床操作面板F2指示燈連接好，氣動系統(tǒng)各氣動元件按照圖5要求連接好后，重新啟動系統(tǒng)，在自動方式下運行含有M83、M82的數(shù)控加工程序，安全防護門自動開關(guān)正常、運行平穩(wěn)，達到了設(shè)計要求。

6 結(jié)束語

隨著《中國制造2025》的不斷深入，“機器換人”的逐步實施，中小型機械制造企業(yè)對現(xiàn)有經(jīng)濟型數(shù)控機床進行自動化、智能化升級改造，將會對數(shù)控機床輔助功能等邏輯開關(guān)指令的要求更高，如利用邏輯開關(guān)指令建立起數(shù)控機床與氣動夾具、數(shù)控機床與工業(yè)機器人等之間的聯(lián)系。通過對經(jīng)濟型數(shù)控機床安全防護門自動開關(guān)的研究，設(shè)計了PMC程序和氣動系統(tǒng)并實現(xiàn)了防護門的自動開關(guān)，系統(tǒng)闡述了PMC程序和氣動系統(tǒng)的構(gòu)成、設(shè)計思路以及控制系統(tǒng)的運行過程。這有助于中小型機械制造企業(yè)利用PMC程序和氣動系統(tǒng)實施“機器換人”提供一定的參考。