基于機器人的機床安全PLC控制

顧紅光

沈陽機床（集團）有限責任公司 遼寧沈陽 110142

1 序言

當今制造業人力成本不斷增高，大部分企業逐漸由原來人工操作單臺機床的傳統加工生產方式向機器人自動上下料及采用自動生產線的加工方式轉變，不僅減少了人員成本，而且提高了加工效率，減少了產品的廢品率，從中長期考慮能減輕企業的運營成本，因此大部分企業訂購機床時都要求配置機器人自動上下料功能，也有很多企業對現有的設備進行增加機器人的改造升級。對于制造業來說，機器替代人是大勢所趨，但同時機床必須做好PLC程序控制，以保證機器人能夠安全穩定地進行生產[1，2]。機器人在參與生產制造的過程中，發生事故的情況也時有出現，輕則造成設備損壞停機，重則造成人員傷亡，因此對于機床與機器人的程序控制是至關重要的。本文是作者在長期進行機床與機器人調試后總結的安全控制程序，規避了各種安全隱患，為企業提供了安全可靠的方案。

2 機器人上下料順序

自動化加工過程中，機器人的上下料順序應為：機床準備好（防護門開、夾具松開且各軸處于安全位置）→機床請求機器人上料→機器人上料→機器人上料完成→機床進行自動加工→機床加工完成→機器人下料→機器人下料完成→機床自動請求上料循環。

加工時，操作人員只需要按下機床啟動按鈕，機床就會發出“上料請求”信號，同時機器人檢測機床是否處于安全位置，如機床處于安全位置且接到“上料請求”信號，則機器人進行上料。當機器人上料完成并完全離開機床后，會向機床發出“上料完成”信號，機床收到“上料完成”信號后夾緊夾具并關閉防護門，開始自動加工。當機床加工完成后，自動打開夾具和防護門，請求機器人下料，下料完成后再請求機器人上料，從而進行下一循環的加工。機器人與機床數控系統的PLC連接如圖1所示[3]。

圖1 機器人與數控系統PLC連接示意

3 幾種常見問題及分析

（1）問題一 機床發過上料請求信號，但機器人無動作，造成一直停機等待上料的狀態。

此種情況是初期調試機器人及自動化生產線的人員經常犯的編程錯誤，錯誤PLC程序如下。

執行機器人上料的機床加工程序如下。

這種PLC編程在執行第1個循環的時候沒有問題，但從第2個循環開始就可能出現機器人停止上料的情況，這是因為在執行機器人“上料請求”M80前是“夾具松開”及“防護門開”指令，這兩個動作都可能發生瞬間波動。夾具松開信號有些是通過壓力繼電器檢測，當壓力不穩時會有瞬間的0、1波動，防護門一般都是氣動控制，開門到位后也不是很穩，會造成開關的瞬間0、1變化，這兩個信號都到1后程序才能往下繼續執行，當執行到M80時，因為M碼為脈沖信號，只發出一個脈沖，所以如果在發出脈沖“上料請求”信號后沒能自鎖完成或自鎖后又被瞬間波動拉斷，就會導致機器人無法接收到“上料請求”信號，而機床也無法再次發出此信號。

（2）問題二 機床未在安全位置而機器人卻給機床上料，此種情況極其危險，很容易造成人員傷害或機床及機器人損壞。有多種編程錯誤可導致此現象發生。

1）當機床通過參數或按鈕調用程序塊的方式控制機器人生效及失效時，就很有可能出現此種事故。PLC程序如下。

此種編程方法在調用機器人生效并執行機器人上料指令后，沒等機器人上料完成就將機器人調到失效狀態，然后復位進行機床操作。此時操作人員認為機器人調用失效，機器人不會有動作，其實，當機器人調用失效后，FC100塊即失效，再復位也不執行，已經置位的機器人請求上料信號也不能復位，此時機器人還會給機床上料，會造成非常嚴重的后果。

2）機器人上料過程中突然停止，當操作人員過去維修時機器人又突然啟動，這種情況對操作人員也是非常危險的。PLC程序如下。

這種控制方式是機器人通過機床的上料請求M80.7及機床安全M80.6兩個信號來判斷是否進行上料動作，當只有一個信號時機床不動作。此種方式會導致當機床發出兩個信號且機器人開始動作后，突然有信號不滿足條件時，機床安全M80.6信號斷開，機器人就會停止動作，而當機床安全M80.6信號又接通時機器人就會繼續動作，這時如果有人員在操作或維修機床就會非常危險。此種情況也是非常容易發生的，因為夾具信號不管是用壓力繼電器還是用開關檢測都有發生錯誤的可能，液壓系統容易波動會使壓力繼電器不穩定，而夾具開關很可能受到加工切屑的干擾而誤發信號。

（3）問題三 當機器人給機床上料時機床突然啟動，此時機床和機器人相撞都會受到損傷，出現此種情況可能是機器人誤發“上料完成”信號或“上料完成”信號的線路出現故障。

4 針對機器人的機床安全PLC程序

針對上述一些典型問題總結出應用于機器人的機床PLC安全控制邏輯如下。

1）不要通過機床與機器人聯機工作的按鈕或參數去調用機器人控制的程序塊生效與否，調用機器人程序的塊要一直生效，并在程序塊里面控制機器人是否生效，具體如下。

2）盡量不要在請求機器人上下料時用S、R指令，要用線圈自鎖方式向機器人發出請求信號，另外最好給機器人兩個信號，包括一個“上料請求”和一個“機床安全”信號。“上料請求”信號只加入一些必要的信號，如“急停”“復位”“機器人生效”等，而一些可能發生瞬間波動的信號作為“機床安全”信號給機器人。機器人上料的時候要同時判斷兩個信號來進行動作，這樣就避免了機床“上料請求”信號被瞬間波動信號拉斷的可能。如果機床I/O地址有限，也可把兩個信號串在一起給機器人，但是一定要對“安全信號”進行防抖處理。具體如下。

3）機器人一定要有一個“安全區域”信號給機床，“安全區域”信號正常時為1，只要“安全區域”信號變為0，機床就會停止動作。當機床收到機器人的“上料完成”信號時也要判斷“安全區域”是否為1，這樣就避免了機器人在機床內時機床動作的可能。

5 結束語

本文中的PLC程序在用戶現場已經安全運行兩年，未發生過安全事故。此程序適用于應用機器人、桁架機械手等各種自動化生產線上的設備，極大地保證了設備及操作人員的安全，提高了企業的生產效率，降低了運營成本。