數(shù)控機床門聯(lián)鎖功能實現(xiàn)與改進＊

劉永久 馬旭東 王 維

（①長春汽車工業(yè)高等?？茖W校，吉林長春 130013；②一汽解放事業(yè)本部傳動事業(yè)部軸齒廠，吉林長春 130011）

隨著機械制造企業(yè)安全意識的提高，越來越多的機械生產(chǎn)廠家將安全防護擺在第一要位[1-2]。隨著工廠生產(chǎn)節(jié)拍的加快，對操機人員的要求越來越高。日常加工過程中易出現(xiàn)的安全問題，如撞刀、零件甩飛和意外運動等情況更加突出，若操機人員誤操作或不注意，容易造成較大人身傷害，存在很大的安全隱患[3-4]。尤其近些年智能制造的興起，門聯(lián)鎖在智能制造單元加工中，可以有效防范由于安全操作門沒有可靠檢測門的開啟/關(guān)閉，導(dǎo)致上下料機械人與機床防護門相撞的事故。門聯(lián)鎖的安裝符合企業(yè)數(shù)控機床加工單元的安全操作規(guī)程[5-6]，可以避免企業(yè)因操作者違規(guī)操作或設(shè)備防護門故障引起的安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。綜上，為確保人員安全作業(yè)，越來越多的機械廠家在滿足設(shè)備基本功能的基礎(chǔ)上升級加裝門聯(lián)鎖[7]。

本文以一汽解放事業(yè)本部傳動事業(yè)部軸齒廠的FANUC系統(tǒng)數(shù)控機床加工中心升級改造為例，重點闡述預(yù)設(shè)門聯(lián)鎖功能及安裝具體方案，實現(xiàn)了數(shù)控機床門聯(lián)鎖功能的升級改造及優(yōu)化改進，并對數(shù)控機床門聯(lián)鎖其改進的效果進行了分析和總結(jié)。

1 門聯(lián)鎖功能的實現(xiàn)

門聯(lián)鎖功能是經(jīng)過機加工廠現(xiàn)場數(shù)控加工的長期實踐，綜合分析了多起與安全防護有關(guān)的事故，進一步挖掘其內(nèi)因和外因，理論高度實踐凝練而提出的安全理念[8]，從安全角度來看，門聯(lián)鎖功能可以成為數(shù)控機床的一項標準配置[2,9]，用以完善數(shù)控機床的安全性能。如圖1所示。

圖1 選擇的門聯(lián)鎖

1.1 實現(xiàn)基本功能

對設(shè)備加裝門聯(lián)鎖后，在保障員工安全作業(yè)的同時，要求滿足以下3個基本功能：

（1）在機床自動加工模式下，要求機床防護門關(guān)閉后才能執(zhí)行自動循環(huán)啟動控制，否則將會出現(xiàn)報警。如果加工過程中機床防護門打開，系統(tǒng)將會發(fā)出報警信息，并立即停止進給加工。

（2）為了調(diào)整機床方便，如夾具進行調(diào)試或測量零件時，機床在MDI（手動數(shù)據(jù)輸入）JOG（手動）或HAND（手輪）狀態(tài)下，當機床防護門打開時，主軸運行應(yīng)該有安全轉(zhuǎn)速50～500 r/min內(nèi)控制，而且機床進給快速進給控制功能無效。

（3）機床自動加工程序結(jié)束后（M30/M02），機床門聯(lián)鎖自動解鎖，可以打開機床防護門。

1.2 實現(xiàn)改進功能

在滿足機床門聯(lián)鎖安全保障及不影響機床功能基礎(chǔ)上，對機床門聯(lián)鎖控制功能進行了升級改進及優(yōu)化機床操作，具體改進功能如下：

（1）改進門聯(lián)鎖的檢測功能，不僅檢測防護門是否關(guān)閉，而且檢測門鎖是否鎖住，同時檢測門鎖吸力是否在安全范圍內(nèi)，當滿足上述要求才能發(fā)出自動加工指令。

（2）增加自動門雙安檢功能。為了確保自動門可靠動作，要求門聯(lián)鎖具有雙安全輸入信號檢測功能，只有兩扇門自動關(guān)閉到位后，才能進行門聯(lián)鎖的自動鎖住控制。

（3）提升機床操作的高效功能。為了方便操作及提高操作效率，取消了傳統(tǒng)門開啟/關(guān)閉按鍵，通過循環(huán)啟動按鍵自動進行門聯(lián)鎖鎖住及自動加工控制。

（4）完善進給暫停下的解鎖功能。當自動加工過程中，若需對工件進行關(guān)鍵尺寸測量時，通過加工程序暫停指令或機床面板進給暫停鍵，實現(xiàn)聯(lián)鎖的自動解鎖控制，同時斷開主軸旋轉(zhuǎn)使能信號。

（5）優(yōu)化極端狀態(tài)解鎖功能。機床門聯(lián)鎖在程序自動加工結(jié)束后自動解鎖外，增設(shè)了機床進給暫停狀態(tài)的自動解鎖及機床報警緊急處理情況的解鎖功能。

2 數(shù)控機床升級改造的實現(xiàn)

2.1 電氣電路方案設(shè)計

根據(jù)實際機床特點不同，機床門聯(lián)鎖的電氣控制電路共有3種方案：第一種采用繼電器電氣控制電路控制，適合機床PLC程序不能修改的老式機床；第二種采用外置小型PLC控制，適用于機床程序不能修改或機床本身的輸入輸出點不足的場合；第三種就是利用機床系統(tǒng)本身PLC功能及輸入/輸出點數(shù)進行電路設(shè)計。本文采用的是第三種方案，門聯(lián)鎖硬件連接示意圖如圖2所示。

圖2 門聯(lián)鎖硬件連接示意

在門聯(lián)鎖硬件選擇上，選擇德國PILZ系列型號為PSEN-SL-0.5P。其機床安全門聯(lián)鎖采用具有雙輸入安全通道信號，具有門關(guān)閉檢測、門鎖鎖住檢測和鎖住吸力檢測的功能。且采用獨立的DC24V直流電源供電，門鎖電路電源與機床內(nèi)部的電源隔離，有效防止了門鎖電路和機床電路相互影響。在安裝調(diào)試過程中，需要重點關(guān)注雙輸入信號的連接和信號干擾的隔離控制。

（1）在自動防護門開啟/關(guān)閉控制情況下，要求兩個防護門關(guān)閉信號作為安全門鎖的雙輸入安全信號；在手動開啟/關(guān)閉安全門情況，將門鎖雙輸入安全信號連接高電平信號（DC24V）。

（2）為了避免門聯(lián)鎖的輸入/輸出信號與機床PLC輸入/輸出信號產(chǎn)生干擾，門聯(lián)鎖與機床輸入和輸出信號之間采用直流繼電器隔離控制，同時也滿足了機床PLC輸入信號不同類型（漏型和源型）的需要。

機床門聯(lián)鎖控制邏輯如圖3所示，數(shù)控機床在MEM（F3.5-1）和RMT（F3.4=1）自動運行狀態(tài)下，手動/自動關(guān)閉機床封戶門，當防護門關(guān)閉信號輸出（X5.0=1）后,才能啟動機床循環(huán)啟動按鍵，否則機床會出現(xiàn)2001報警。重新關(guān)閉防護門，再次啟動循環(huán)啟動按鍵，機床報警自動消失，門鎖鎖住繼電器信號輸出（Y6.1=1），實施門鎖鎖住控制，當門鎖鎖住信號輸出（X5.1=1），系統(tǒng)主軸使能信號（G29.6）和進給暫停信號（G8.5）有效，通過門鎖鎖住信號的下降沿觸發(fā)系統(tǒng)循環(huán)啟動信號G7.2，完成機床自動循環(huán)控制（F0.5=1），當門聯(lián)鎖鎖住信號未輸出，機床會發(fā)出2002報警。當自動加工程序結(jié)束、進給暫停及緊急情況下。機床門聯(lián)鎖自動解鎖（Y6.1=0）。

圖3 門聯(lián)鎖控制邏輯圖

2.2 機床程序升級改進方案設(shè)計

在不影響機床控制功能基礎(chǔ)上，實現(xiàn)門聯(lián)鎖控制功能的PLC程序設(shè)計與改進，下面以典型的FANUC數(shù)控系統(tǒng)機床為例，進行PLC程序的設(shè)計。

如圖4所示，機床在自動運行狀態(tài)下，當防護門手動控制時，門聯(lián)鎖鎖住控制信號（Y6.1）獲電的條件是機床防護門關(guān)閉信號（X5.0=1）和循環(huán)啟動命令（X10.2=1）；當防護門自動控制時，門鎖鎖鎖住輸出信號（Y6.1）還要添加雙門關(guān)閉到位信號檢測（X15.1=1和X15.2=1），通過系統(tǒng)PLC參數(shù)K5.1進行選項控制（K5.1=1該功能有效）。

圖4 門聯(lián)鎖鎖住輸出信號檢測功能的實現(xiàn)

如圖5所示，當機床門聯(lián)鎖鎖住控制信號有效（Y6.1=1），而且門聯(lián)鎖的吸力達到安全范圍內(nèi)，門聯(lián)鎖發(fā)出鎖住到位信號（X5.1=1）。為了安全可靠起見，在原來防護門關(guān)閉信號X5.0基礎(chǔ)上，還添加了門聯(lián)鎖的鎖住到位信號作為機床主軸互鎖信號G29.6及進給暫停信號G8.5的使能條件。

圖5 自動門雙安檢功能的實現(xiàn)

如圖6所示，門聯(lián)鎖鎖住到位信號（X5.1=1）的下降沿信號作為系統(tǒng)循環(huán)啟動信號G7.2的觸發(fā)信號，保留了原有的機床控制及保護功能控制，當手動數(shù)據(jù)輸入MDI狀態(tài)，還是采用原機床循壞啟動按鍵控制G7.2。

圖6 機床操作簡化的實現(xiàn)

如圖7所示，當自動加工過程時，加工程序執(zhí)行了程序暫停指令（M00/M01）及執(zhí)行機床面板的暫停按鍵，機床處于暫停狀態(tài)（F0.4=1）時，門聯(lián)鎖鎖住控制信號斷電（Y6.1=0），門聯(lián)鎖自動解鎖。

圖7 進給暫停下的解鎖功能的實現(xiàn)

如圖8所示，當機床出現(xiàn)報警或急停操作時，通過急停信號X8.4及系統(tǒng)復(fù)位鍵F1.1時，門聯(lián)鎖也會自動解鎖。當防護門沒有關(guān)閉執(zhí)行自動啟動命令，機床發(fā)出2001報警，按下循環(huán)啟動按鍵后，在規(guī)定時間內(nèi)沒有得到門鎖鎖住信號，機床發(fā)出2002報警。

圖8 極端狀態(tài)下解鎖功能及報警信息控制功能的實現(xiàn)

3 改進效果分析

通過對一汽解放事業(yè)本部傳動事業(yè)部軸齒廠的300多臺機床門聯(lián)鎖的安裝及改進，順利地通過了廠家的安全評價和功能的驗收。如圖9所示，再經(jīng)過1年的穩(wěn)定運行，綜合對其效果進行評估。在300多臺對機床門聯(lián)鎖安裝改進后，在確保運行故障率為2%的同時，因機床防護門問題引起的人員傷亡及設(shè)備重大事故率降低到0%。此外，對傳統(tǒng)門聯(lián)鎖控制功能進行的改進和優(yōu)化處理中，在保證操作者在計件功效不變的情況下，大大降低了由于操作者的違規(guī)操作引起的事故（統(tǒng)計數(shù)據(jù)為下降了60%），同樣也得到了機床操作者的認可。

圖9 改進后效果展示

4 結(jié)語

改進后的數(shù)控機床門聯(lián)鎖功能在經(jīng)過近15個月的使用，設(shè)備運行可靠穩(wěn)定，安全系數(shù)高。在門檢測、雙安檢、便捷操作和特殊狀態(tài)下解鎖等功能均能滿足廠家安全防護的需求。避免了由于違規(guī)操作導(dǎo)致的安全事故，為企業(yè)降低了損失。針對一汽解放事業(yè)本部傳動事業(yè)部軸齒廠FANUC-0iC/0iD/0iF系統(tǒng)機床門聯(lián)鎖改造升級過程中，不光滿足了實際生產(chǎn)的需要，在未來對其他廠家門聯(lián)鎖的安裝調(diào)試提供了改進方法，具有一定的指導(dǎo)意義。