數控機床門聯鎖功能實現與改進＊

劉永久 馬旭東 王 維

（①長春汽車工業高等專科學校，吉林長春 130013；②一汽解放事業本部傳動事業部軸齒廠，吉林長春 130011）

隨著機械制造企業安全意識的提高，越來越多的機械生產廠家將安全防護擺在第一要位[1-2]。隨著工廠生產節拍的加快，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/關閉，導致上下料機械人與機床防護門相撞的事故。門聯鎖的安裝符合企業數控機床加工單元的安全操作規程[5-6]，可以避免企業因操作者違規操作或設備防護門故障引起的安全生產事故的發生。綜上，為確保人員安全作業，越來越多的機械廠家在滿足設備基本功能的基礎上升級加裝門聯鎖[7]。

本文以一汽解放事業本部傳動事業部軸齒廠的FANUC系統數控機床加工中心升級改造為例，重點闡述預設門聯鎖功能及安裝具體方案，實現了數控機床門聯鎖功能的升級改造及優化改進，并對數控機床門聯鎖其改進的效果進行了分析和總結。

1 門聯鎖功能的實現

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

圖1 選擇的門聯鎖

1.1 實現基本功能

對設備加裝門聯鎖后，在保障員工安全作業的同時，要求滿足以下3個基本功能：

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

（2）為了調整機床方便，如夾具進行調試或測量零件時，機床在MDI（手動數據輸入）JOG（手動）或HAND（手輪）狀態下，當機床防護門打開時，主軸運行應該有安全轉速50～500 r/min內控制，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束后（M30/M02），機床門聯鎖自動解鎖，可以打開機床防護門。

1.2 實現改進功能

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

（1）改進門聯鎖的檢測功能，不僅檢測防護門是否關閉，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，當滿足上述要求才能發出自動加工指令。

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

（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，取消了傳統門開啟/關閉按鍵，通過循環啟動按鍵自動進行門聯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，實現聯鎖的自動解鎖控制，同時斷開主軸旋轉使能信號。

（5）優化極端狀態解鎖功能。機床門聯鎖在程序自動加工結束后自動解鎖外，增設了機床進給暫停狀態的自動解鎖及機床報警緊急處理情況的解鎖功能。

2 數控機床升級改造的實現

2.1 電氣電路方案設計

根據實際機床特點不同，機床門聯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本身PLC功能及輸入/輸出點數進行電路設計。本文采用的是第三種方案，門聯鎖硬件連接示意圖如圖2所示。

圖2 門聯鎖硬件連接示意

在門聯鎖硬件選擇上，選擇德國PILZ系列型號為PSEN-SL-0.5P。其機床安全門聯鎖采用具有雙輸入安全通道信號，具有門關閉檢測、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。在安裝調試過程中，需要重點關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/關閉控制情況下，要求兩個防護門關閉信號作為安全門鎖的雙輸入安全信號；在手動開啟/關閉安全門情況，將門鎖雙輸入安全信號連接高電平信號（DC24V）。

（2）為了避免門聯鎖的輸入/輸出信號與機床PLC輸入/輸出信號產生干擾，門聯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。

機床門聯鎖控制邏輯如圖3所示，數控機床在MEM（F3.5-1）和RMT（F3.4=1）自動運行狀態下，手動/自動關閉機床封戶門，當防護門關閉信號輸出（X5.0=1）后,才能啟動機床循環啟動按鍵，否則機床會出現2001報警。重新關閉防護門，再次啟動循環啟動按鍵，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系統循環啟動信號G7.2，完成機床自動循環控制（F0.5=1），當門聯鎖鎖住信號未輸出，機床會發出2002報警。當自動加工程序結束、進給暫停及緊急情況下。機床門聯鎖自動解鎖（Y6.1=0）。

圖3 門聯鎖控制邏輯圖

2.2 機床程序升級改進方案設計

在不影響機床控制功能基礎上，實現門聯鎖控制功能的PLC程序設計與改進，下面以典型的FANUC數控系統機床為例，進行PLC程序的設計。

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

圖4 門聯鎖鎖住輸出信號檢測功能的實現

如圖5所示，當機床門聯鎖鎖住控制信號有效（Y6.1=1），而且門聯鎖的吸力達到安全范圍內，門聯鎖發出鎖住到位信號（X5.1=1）。為了安全可靠起見，在原來防護門關閉信號X5.0基礎上，還添加了門聯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

如圖6所示，門聯鎖鎖住到位信號（X5.1=1）的下降沿信號作為系統循環啟動信號G7.2的觸發信號，保留了原有的機床控制及保護功能控制，當手動數據輸入MDI狀態，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

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

圖7 進給暫停下的解鎖功能的實現

如圖8所示，當機床出現報警或急停操作時，通過急停信號X8.4及系統復位鍵F1.1時，門聯鎖也會自動解鎖。當防護門沒有關閉執行自動啟動命令，機床發出2001報警，按下循環啟動按鍵后，在規定時間內沒有得到門鎖鎖住信號，機床發出2002報警。

圖8 極端狀態下解鎖功能及報警信息控制功能的實現

3 改進效果分析

通過對一汽解放事業本部傳動事業部軸齒廠的300多臺機床門聯鎖的安裝及改進，順利地通過了廠家的安全評價和功能的驗收。如圖9所示，再經過1年的穩定運行，綜合對其效果進行評估。在300多臺對機床門聯鎖安裝改進后，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備重大事故率降低到0%。此外，對傳統門聯鎖控制功能進行的改進和優化處理中，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操作引起的事故（統計數據為下降了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 結語

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