基于PLC的数控机床安全控制设计.pdf

2 0 1 2年 6月 第 4 0卷 第 l 1 期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAULI CS J u n ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 1 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 1 ． 0 5 1 基于 P L C的数控机床安全控制设计 苏茜 ，张群 生 广西机电职业技术学院 ，广西南宁 5 3 0 0 0 7 摘要P L C是数控机床的控制中心，机床很多执行机构的动作都是通过 P L C控制指令实现的。介绍了实现数控机床安 全控制功能的设计思路和设计要点，即通过修改数控机床的P MC程序设置机床 自动运行的限制条件，为数控机床增加了防 错功能，有效消除了因操作人员的失误导致机床与夹具、工件发生碰撞的隐患，大大提高了机床使用的安全性。 关键词 P L C；数控机床；报警；安全控制 中图分类号T H1 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 1 1 6 9 3 Se c ur i t y Co n t r o l De s i g n f o r Co mpu t e r Nu me r i c a l Co nt r o l M a c h i ne To o l Ba s e d o n PLC S U Q i a n ，Z H A N G Q u n s h e n g G u a n g x i T e c h n o l o g i c a l C o l l e g e o f Ma c h i n e r y a n d E l e c t r i c i t y ， N a n n i n g G u a n g x i 5 3 0 0 0 7，C h i n a Ab s t r a c t P L C i s t h e c o r e o f CNC ma c h i n e t o o l c o n t r o l s y s t e m，b y wh i c h ma n y a c t u a t o r s c a n o p e r a t e ．T h e d e s i g n i d e a a n d k e y p o i n t s o f s e c u ri t y c o n t r o l f o r CNC ma c h i n e t o o l w e r e p r e s e n t e d ．B y a d d i n g c o n s t r a i n t c o n d i t i o n s for a u t o r u n t o mo d i f y t h e P MC p r o g r a m o f C NC ma c h i n e ，t h e f a i l s a f e f u n c t i o n wa s r e a l i z e d ．S o t h e c o l l i s i o n o f ma c h i n e a n d c l a mp o r p a r t c a u s e d b y f a u l t o f o p e r a t o r i s e f f e c - t i v e l y r e mo v e d a n d t h e s e c u ri t y o f ma c h i n i n g i s i n c r e a s e d ． Ke y wo r d s P L C；C NC ma c h i n e t o o l ；Al a r m ；S e c u ri t y c o n t r o l 数控设备是技术密集型和知识密集型的机、电 一 体化产 品，其技 术先进 、结构 复杂、价格 昂贵 ， 随着生产企业规模的不断扩大及设备 自动化程度的 不断提高 ，数控车间里所用的数控设备种类 和数量 也在不断增加。要想更好地利用数控机床，就必须 对数控机床的结构功能及系统有充分的了解。数控 机 床 的动作控制 通常 由两 种方 式 来 实现 一种 是 通 过 C N C系统 专用计 算机 的数字 信息来 控制 ， 即 “ 数字控制” ，如数控机床工作台的前、后、左、 右移动 ，主轴箱的上 、下移动和围绕某一直线轴 的 旋转运动位移量等。这些控制是用插补计算 出的理 论位置与实际反馈位置比较后得到的差值对伺服进 给 电机进行 控制 而实现 的 。这种 控 制 的核 心是 保证 实现被加工零件的轮廓，即除点位加工外 ，各个轴 的运动时刻都必须保持严格 的比例关系；另一种是 在数控机床运行过程中，以C N C系统内部和机床上 各行程开关、传感器、按钮 、继电器等开关量信号 的状态为条件 ，并按照预先规定 的逻辑顺序 ，对诸 如主轴 的开停、换 向，刀具 的更换 ，工件 的夹 紧、 松开，液压、冷却、润滑系统的运行控制。这一类 动作的控制主要是进行开关量信号的顺序控制，一 般 由 P L C来 完成 。 1 P L C程序在数控机床上的应用 P L C为可编程控制器 ，在数控机床上所使用的 P L C也称作 P MC 。它有以下优点响应快 ，控制精 度高，可靠性好 ，控制程序可随应用场合的不 同而 改 变 ，与计 算机 的接 口及 维 修方 便 。通常 ，数 控 机 床上所使用的 P L C程序包括系统程序和用户程序。 其中系统程序包括监控程序、编译程序及诊断程序 等，由 P L C生产 厂家提供 ，并 固化在 E P R O M 中， 用户不能直接存取，也不需要用户干预。而用户程 序是用户根据现场控制的需要 ，用 P L C程序语言编 制的应用 程序 ，用 以实现各 种控制要 求。常用 的 P L C程序设计语言主要有梯形图、语句表、 功能块 收稿日期2 0 1 1 0 51 1 作者简介苏茜 1 9 7 8 ～ ，女，硕士，讲师、工程师、技师，主要研究方向为 C A D ／ C A M、机械零件设计与制造、数控机 床维护与维修。Em a i l g e m i n i q q 1 2 6 ． c o m。 1 7 0 机床与液压 第 4 0卷 I ⋯ ‘ ⋯ l F00 96 ． 0 F00 96． 1 F0 0 96． 2 F00 70． 4 R000 2． 0 I ● zP zP21 - z P P s w 器 s T 1 D o n0 l 1 A r 1T I S UB 3 2 0 0 0 2 0N CoM P B 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 D0 88 0 S PNP oT I I Z“ s T 2 l 1 SUB3 2 0 00 2 o N Co M PB 0 000 00 001 4 D 0 88 0 S P NP oT R9 OOI l Z 。 l S T 2 R 0 0 l l l ST EN2 X0 0 1 9 ． 1 X0 0 1 9 ． 0 R 0 0 0 2 ． 2 n n n n ， 、 LS 6 3 LS 6 2 S T EN3 X0 0 3 3 ． 5 X0 0 3 3 ． 4 X0 0 3 3 ． 3 X0 0 3 3 ． 2 X0 0 3 3 ． 1 X0 0 3 3 ． 0 R0 0 0 2 ． 3 I I n q lt , ■ 矗 矗 ■li 矗 矗 ● I l u U ■ u 4 1 ● _q ■■ v J GLl 4 J GL1 3 J GLl 2 J GL l l J GL1 0 J GL0 9 S T EN4 R0 0 0 2 ． 0 R0 0 0 2 ． 1 R0 0 0 2 ． 2 R0 0 0 2 ． 3 R0 0 0 2 ． 4 I I l 1 I I I I I V S T ．．EN I ST ．EN2 ST EN3 S T _E N 4 l S T ． E N l Y0 0 0 5 ． 1 P01 1 0 S TS KB Y CONTROL X ， Y， Z- AXES AT S ECEND REF ． P oI NT START ENBA L LAM P 图1 安全控制功能梯形图 CYCLE S T ART NoT RE DAY CYCL E S T ART NoT RE DA Y 第 l 1 期 苏茜 等基于 P L C的数控机床安全控制设计 1 7 1 图等 。 由于数控机床很多执行机构的动作都是通过 P L C 的控制指令来实现的，可 以利用 P L C对数控机床进 行故障的快速检测和维修 ，或者是通过修改、编写 P L C程序为数控机床增添某个可执行动作或功能。 2 数控机床 的安全控制设计 在使用数控机床的过程中作者发现有些系统的 机床在操作不当或因机床本身原因出现故障报警停机 之后 ，需要消除报警并重新返 回 H O M E点才能再次 执行程序，可是有些系统 的机床在消除报警后并不 需要返 回 H O ME点就 可 以直 接再 次运 行程 序 。后者 虽然节省 了一点 时间，可是却存在极 大的安全 隐 患。某企业有一台数控加工 中心就出现过这样 的情 况 某次执行空运行 时，产生 了机床报警 导致 停 机 ，操作工消除报警后未 回 H MO E点就再次运行空 运转程序 ，使主轴与夹具发生碰撞 ，造成主轴精度 及动平衡超差 ，无法满足设备加工的工艺要求。分 析其原因当机床在运行过程中报警停机之后 ，机 床 夹具及 主轴 的位置状 态 已经 发生 了变 化 不再 是 初始状态 ，若是消除报警之后立 即重新开始执行 后续程序，就很容易导致机床主轴误动作造成主轴 与夹具或工件发生碰撞。为了避免因碰撞造成 的不 必要的工废 ，进一步提高设备本身的防错能力 ，作 者针对 F U N U C系统加工中心设计 了一个数控机床 动作的安全控制程序 ，该程序的作用主要是保证在 执行加工程序或者空运行程序过程 中发生了机床停 机报警 ，在操作人员消除报警后 ，必须执行 回参考 点的程序，如果不执行回参考点程序使程序、设备 的夹具 、主轴 、刀具等恢复到初始位置 ，机床将无 法执行加工程序或空运转程序 ，这样就有效避免了 设备 碰撞 的可能性 。 2 ． 1设计 思路 为机床增加防错功能以实现机床动作的安全控制 是通过修改数控机床的 P M C程序及机床 自动运行的 条件 ，增加机床启动条件的限制 ，并在操作面板上增 加循环启动准备好指示灯 S T E N L 、返修指示灯 R E C U T L 及返修键按钮。具体方案是 1 设置的机床启动条件① 、Y 、 轴必须回 到第二参考点，且 A轴在 9 0 。 状态 S T A E N 1 ；② 主轴 上的刀具为初始 刀具 T 6 或 者为 空刀 T 1 4 S T A E N 2 ；③A轴处于夹紧状态 S T A E N 3 ； ④夹具处于松开状态 S T A E N 4 。机床必须同时满 足这 4个条件 才能够执行加工程 序进行 自动加 工 S T A E N 。设计此限制条件的 目的是使机床在发生 报警后 ，必须先运行 R E T U R N程序 ，待机床恢复至 可 以正常运行的状 态后 ，才在 A U T O或者 ME M模 式 下运行机床，防止程序从中间状态启动，引起机床碰 撞 。 2 如果未满足启动条件 ，循环启动准备好指 示灯不亮时，按下 [ C Y C L E S T A R T]按键，机床则 产 生“ 6 1 ． 0 C Y C L E S T A R T N O T R E D A Y，P L E A S E R E T U R N ”报警，提醒操作人员机床被禁止 自动加 工的原因及应该采取的措施。 3 当有工件需要返修时，可能只需要执行某 个特定的程序段 ，此时可以按下返修键 ，返修指示灯 亮后 ，即可进行返修工件的加工。在返修加工或单段 加工模式下 ，设备不受 “ 循环启动准备好”条件的 限制 ，可以循环启动。 2 ． 2 梯形图设计 按照前面的设计思路，在数控机床 P MC程序中 增加 P l 1 0子程序，生成 R 2 ． 7 S T S A ；其中循环启 动准备好指示灯信号输出点为 Y 5 ． 1 ，返修键信号输 入点为 X 4 ． 6 ，返修指示灯信号输出点为 Y 4 ． 6 。相应 的梯形图如图 1 示。 3结束语 数控机床是集计算机技术、P L C技术 、自动化技 术等于一身的机、电一体化产物 ，作为数控机床核心 的控制系统直接关系到设备的正常运行，利用数控机 床 P L C的强大功能 ，可以充分发挥数控机床控制系 统的作用 ，还可以为数控机床故障诊断及维修带来极 大的方便。作者为加工中心设计的防止机床发生碰撞 的安全控制功能，有效消除了因操作人员的失误导致 机床主轴与夹具、工件发生碰撞的隐患 ，确保了生产 的安全性，有 良好的经济效益。 参考文献 【 1 】 谭华 ， 王建军． P L C程序在数控机床故障诊断中的应用 [ J ] ． 无锡商业职业技术学院学报， 2 0 0 6 6 1 01 5 ． 【 2 】孙汉卿． 数控机床维修技术[ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ， 2 0 0 0 ． 【 3 】 余仲裕． 数控机床维修 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 o 0 1 ． 【 4 】 F A N U C S e r i e s 1 6 i ／ 1 8 i ／ 1 6 0 i ／ 1 8 0 i ／ 1 6 0 i s ／ 1 8 0 i s M O D E L C MA I N T E N A N C E M A N U A L [ M] ．