VMC3016L加工中心急停與安全保護功能的設計

王 勇

WANG Yong

（蘇州工業職業技術學院 機電設備維護中心，蘇州 215104）

0 引言

在數控機床使用過程中，會遇到一些突發情況，例如機械運動部分超過運動極限位置時、工人看到主軸刀具與夾具快要撞到時，此時機床可以立刻進入緊急急停狀態，切斷所有進給電機和主電機的動力電以保護機床[1]；當機床正在自動加工時，如果防護門被打開了，所有的進給軸應該立即鎖住，停止移動，以免出現人身傷害事故；正常加工時，如果刀庫不在最左面，嚴禁Z軸移動，否則會將刀庫或主軸撞壞。因此數控機床的急停與安全保護功能的設計至關重要，本文詳細介紹VMC3016L加工中心急停與過行程硬件控制電路設計；行程與急停報警控制、CNC進入急停時G8.4信號的控制、軸互鎖控制、Z軸互鎖控制、進給暫停控制的PMC梯形圖設計。

1 急停硬件電路設計

如圖1所示，限位控制是數控機床的一個基本安全功能，由于絲桿的行程有限，數控車床各軸運行是有安全運行區域的，一旦出了此安全區域，工作臺運動到極限位置，導致“撞車”事故，將絲桿螺母或工作臺撞壞[2]，為了限制各軸在安全區域內運行，在工作臺上安裝了兩個行程限位開關，以限定軸移動的正負方向行程。

圖1 軸正負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，當數控機床操作人員或維修人員認為機床發生緊急情況時，為了保護機床或人身安全，迅速拍下此急停控制按鈕，此時數控機床上的電源放大模塊與伺服模塊的輸入電壓瞬時切斷，各部分的電機就無法動作，機床的所有運動部件被鎖住，機床各移動軸停止移動。一旦危險或故障排除后，順時針旋轉急停按鈕，使其復位，機床進入準備運行狀態。

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三個軸正負方向的行程限位開關信號（SQX+、SQX-、SQY+、SQY-、SQZ+、SQZ）常閉觸點互相串聯，控制超程繼電器KA2，為數控系統提供硬限位超程信號，在屏幕上出現相應的報警信息，以警示操作者。當任一坐標軸超程產生超程和急停報警之后，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，急停報警消除，然后移動軸，使其往超程的反方向移動，當行程限位擋塊離開行程開關后就可以松掉超程釋放按鈕。六個行程限位開關信號再與急停按鈕的常閉觸點信號串聯，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信號的常開觸點[3]，作為電源模塊PSM的急停輸入信號，作為電源模塊工作與否的一個條件。在FANUC 0I數控系統中，I/O LINK子單元以開關量I/O單元為主，處理一些輸入輸出開關量信號，這里將急停繼電器的一個信號KA1常開觸點接到CB105接口上的A08腳，信號地址為X8.4，這個信號必須接到CB105接口上的A08腳，因為急停信號的輸入地址X8.4是FANUC系統自定義的，不充許用戶修改[5]，由數控系統CNC直接讀取這個急停信號X8.4，當此信號為0時，數控系統立即進入急停狀態。將超程繼電器的信號KA2常開觸點接到CB105接口上的B08腳，信號地址為X8.5，供系統過行程報警用。

正常情況下（沒有急停狀況或超程），此時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，進入正常工作狀態，為后面的伺服驅動器提供直流母線電壓300V，I/O LINK上CB105接口上的X8.4信號得到24V，狀態變為1，無系統急停報警；同樣，X8.5信號狀態也為1，無超程報警，機床此時進入正常運行狀態。

2 急停安全保護功能PMC程序設計與分析

2.1 過行程與急停報警控制

當X、Y或Z三坐標方向過行程，超程繼電器KA2失電，KA2常開觸點斷開，X8.5不能得到24V，使得X8.5=0，如圖4所示，此時輸出A0.0=1，數控系統屏幕上顯示EX1000 OVER TRAVEL（過行程報警）（對應信息顯示位：A0.0）。當工作臺移出超程區域，超程繼電器KA2得電，使得X8.5=1，此時輸出A0.0=0，無超程報警。

圖4 過行程與急停報警控制梯形圖

當拍下急停按鈕時，急停控制繼電器KA1失電，其常開觸點斷開，X8.4不能得到24V，使得X8.4=0，如圖4所示，此時輸出A0.3=1，數控系統屏幕上顯示EX1003 EMERGENCY STOP （急停報警EMG，如圖5所示）(對應信息顯示位：A0.3)[4]。

圖5 FANUC系統急停報警畫面

2.2 CNC進入急停G8.4信號的控制

FANUC 0I系統的PMC→CNC信號（G信號）、CNC→PMC信號（F信號）由CNC系統軟件定義其地址的，是固定的，用戶只可使用不可更改[5]。G8.4是PMC向CNC發出的急停輸出信號，一旦G8.4=0，CNC立刻進入急停狀態。控制要求：過行程、急停、主軸異常、氣源壓力低、冷卻泵電機過載時，使G8.4=0。

如圖6所示，當過行程報警A0.0=1，或主軸異常報警A0.l=1，或氣源壓力低報警A0.2=1，或急停報警A0.3=1，或主軸冷卻泵電機過載報警Al.4=1時，輸出R515.7=1（報警寄存器，控制急停）。

圖6 G8.4信號的控制梯形圖

五個報警信號A0.0、A0.l、A0.2、A0.3、A1.4采取并聯輸入，它們都使用常開觸點。即當其中任何一個報警信號輸入為1時，R515.7輸出1，使得G8.4變為0，（在圖中可看到G8.4的標志是*ESP，FANUC數控系統規定：帶*號的標志為零時該信號有效）[5]，此時系統進入急停；G71.1是第一串行主軸急停信號*ESPA，因為本機床采用的是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時處于急停狀態，串行主軸伺服驅動器禁止輸出，此時主軸停轉，也就是當出現過行程、外部急停、主軸異常、氣源壓力低、冷卻泵電機過載時，使G71.1=0，串行主軸進入急停狀態，主軸立刻停轉。

2.3 軸互鎖控制

當進入急停狀態或過行程或機床門打開時，使機床各軸鎖住，禁止其移動，以保護機床。控制梯形圖如圖7所示，G8.0(*IT)是所有軸互鎖信號（為0時各軸伺服關斷）、G130.0(*IT1)是X軸互鎖信號（為0時X軸伺服關斷）、G130.1(*IT2)是Y軸互鎖信號（為0時Y軸伺服關斷）、G7.5(*FLWU)是伺服關斷、急停或伺服報警期間的位置跟蹤信號（為0時支持跟蹤）。

圖7 軸互鎖控制梯形圖

當CNC不在急停狀態即G8.4=1時，此時輸出R515.0=1（報警解除），同時機床保護門關閉信號R524.3為1時，G8.0、G130.0、G130.1三個信號為1，伺服軸可以移動，否則G8.0、G130.0、G130.1三個信號為0，伺服軸關斷[6]。

2.4 Z軸互鎖控制

因為立式加工中心的Z軸比較特殊，此臺加工中心是斗笠式刀庫換刀，換刀時，刀庫要從最左面移到最右面（靠近主軸側，而主軸是由Z軸帶動上下移動的），刀庫在插刀和還刀時，嚴禁Z軸移動，否則會將刀庫或主軸撞壞[7]，這是一個很重要的安全保護功能，所以這里設計在執行M6換刀指令時、或是刀庫在最右側時，Z軸要鎖住，不能移動，如圖8中Z軸互鎖控制梯形圖所示，當執行M6換刀指令時，其標志位R622.0=1，梯形圖中的常閉觸點斷開，或者刀庫在最右側，其標志位R528.5=1，梯形圖中的常閉觸點斷開，此時若有一個條件滿足，則輸出R511.5=0（Z軸鎖定標志）， G130.2(*IT3)是Z軸互鎖信號為0， Z軸伺服關斷，無法移動。

圖8 Z軸互鎖控制梯形圖

2.5 進給暫停控制

圖9 進給暫停控制梯形圖

G8.5(*SP)是進給暫停信號（為0時各軸進給運動暫停）[8]，正常加工時，必須使G8.5為1，以下是循環暫停控制過程，如圖9所示，循環暫停按鍵SW3，信號地址是X0.1，X0.1的信號線是接到此按鍵的常閉觸點上的，正常加工時，此觸點是閉合的，只有按下循環暫停按鍵后，此觸點才斷開，X0.1=0，使G8.5=0，這樣程序就停止運行，并且沒產生A45、A23報警R518.2=1、R518.1=1，并且準備好信號R100.1=1，M01、MOO指令沒有執行R530.3=O、R554.3=0，并且沒有產生冷卻電機過載報警A2.4=0，并且在執行主軸速度S代碼時沒產生刀具沒有抓緊報警A4.6=0時[9]，輸出G8.5=1（進給不暫停）。

3 結束語

為了為數控機床營造一個安全運行環境，更重要是數控機床自身要有各種安全保護功能，通過自身的安全保護功能PMC程序監控外圍的一些不安全因素，及時處理，以免出現嚴重的問題，例如潤滑油沒有了，不能只簡單的出現潤滑油位低報警，還要使程序進入暫停狀態，這樣是為了保護進給機械結構因缺油而受損。實踐證明，采用上述急停、過行程和安全保護功能設計的VMC3016L的加工中心安全故障極少，其他故障率也較低，更沒有出現撞機導致損壞機床機械結構的事故。

[1]朱仕學.數控機床系統故障診斷與維修[M].北京：清華大學出版社,2007.

[2]王勇.數控機床伺服進給系統典型故障分析及維修[J].機床與液壓,2013,41(14)：157-159.

[3]劉江,盧鵬程.FANUC數控系統PMC編程[M].北京：高等教育出版社,2011.

[4]王勇.在數控機床故障診斷中應用智能診斷融合技術[J].煤炭技術, 2013,32(7)：180-181

[5]北京發那科機電有限公司.FANUC Series 0 Mate-MODEL D連接說明書（功能篇）[G].

[6]北京發那科機電有限公司.BEIJING—FANUC PMC PA1/SA1/SA3梯形圖語言編程說明書[G].

[7]王侃,李占勇.PMC在數控機床故障診斷維修中的應用[J].機床與液壓,2010,38(24)：104-106.

[8]王鳳良.數控機床PLC模塊的故障診斷及排除方法[J].制造業自動化,2012,34(10)：53-55.

[9]韓全立.PLC在數控機床故障診斷中的應用[J].制造業自動化,2010,32(8)：165-166.