劉永久 馬旭東 王 維

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

隨著機(jī)械制造企業(yè)安全意識(shí)的提高，越來越多的機(jī)械生產(chǎn)廠家將安全防護(hù)擺在第一要位[1-2]。隨著工廠生產(chǎn)節(jié)拍的加快，對(duì)操機(jī)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(yùn)動(dòng)等情況更加突出，若操機(jī)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(cè)門的開啟/關(guān)閉，導(dǎo)致上下料機(jī)械人與機(jī)床防護(hù)門相撞的事故。門聯(lián)鎖的安裝符合企業(yè)數(shù)控機(jī)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(hù)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(jī)械廠家在滿足設(shè)備基本功能的基礎(chǔ)上升級(jí)加裝門聯(lián)鎖[7]。

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

1 門聯(lián)鎖功能的實(shí)現(xiàn)

門聯(lián)鎖功能是經(jīng)過機(jī)加工廠現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控加工的長期實(shí)踐，綜合分析了多起與安全防護(hù)有關(guān)的事故，進(jìn)一步挖掘其內(nèi)因和外因，理論高度實(shí)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(jī)床的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)配置[2,9]，用以完善數(shù)控機(jī)床的安全性能。如圖1所示。

圖1 選擇的門聯(lián)鎖

1.1 實(shí)現(xiàn)基本功能

對(duì)設(shè)備加裝門聯(lián)鎖后，在保障員工安全作業(yè)的同時(shí)，要求滿足以下3個(gè)基本功能：

（1）在機(jī)床自動(dòng)加工模式下，要求機(jī)床防護(hù)門關(guān)閉后才能執(zhí)行自動(dòng)循環(huán)啟動(dòng)控制，否則將會(huì)出現(xiàn)報(bào)警。如果加工過程中機(jī)床防護(hù)門打開，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，并立即停止進(jìn)給加工。

（2）為了調(diào)整機(jī)床方便，如夾具進(jìn)行調(diào)試或測(cè)量零件時(shí)，機(jī)床在MDI（手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入）JOG（手動(dòng)）或HAND（手輪）狀態(tài)下，當(dāng)機(jī)床防護(hù)門打開時(shí)，主軸運(yùn)行應(yīng)該有安全轉(zhuǎn)速50～500 r/min內(nèi)控制，而且機(jī)床進(jìn)給快速進(jìn)給控制功能無效。

（3）機(jī)床自動(dòng)加工程序結(jié)束后（M30/M02），機(jī)床門聯(lián)鎖自動(dòng)解鎖，可以打開機(jī)床防護(hù)門。

1.2 實(shí)現(xiàn)改進(jìn)功能

在滿足機(jī)床門聯(lián)鎖安全保障及不影響機(jī)床功能基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)床門聯(lián)鎖控制功能進(jìn)行了升級(jí)改進(jìn)及優(yōu)化機(jī)床操作，具體改進(jìn)功能如下：

（1）改進(jìn)門聯(lián)鎖的檢測(cè)功能，不僅檢測(cè)防護(hù)門是否關(guān)閉，而且檢測(cè)門鎖是否鎖住，同時(shí)檢測(cè)門鎖吸力是否在安全范圍內(nèi)，當(dāng)滿足上述要求才能發(fā)出自動(dòng)加工指令。

（2）增加自動(dòng)門雙安檢功能。為了確保自動(dòng)門可靠動(dòng)作，要求門聯(lián)鎖具有雙安全輸入信號(hào)檢測(cè)功能，只有兩扇門自動(dòng)關(guān)閉到位后，才能進(jìn)行門聯(lián)鎖的自動(dòng)鎖住控制。

（3）提升機(jī)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(dòng)按鍵自動(dòng)進(jìn)行門聯(lián)鎖鎖住及自動(dòng)加工控制。

（4）完善進(jìn)給暫停下的解鎖功能。當(dāng)自動(dòng)加工過程中，若需對(duì)工件進(jìn)行關(guān)鍵尺寸測(cè)量時(shí)，通過加工程序暫停指令或機(jī)床面板進(jìn)給暫停鍵，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖的自動(dòng)解鎖控制，同時(shí)斷開主軸旋轉(zhuǎn)使能信號(hào)。

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

2 數(shù)控機(jī)床升級(jí)改造的實(shí)現(xiàn)

2.1 電氣電路方案設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際機(jī)床特點(diǎn)不同，機(jī)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(jī)床PLC程序不能修改的老式機(jī)床；第二種采用外置小型PLC控制，適用于機(jī)床程序不能修改或機(jī)床本身的輸入輸出點(diǎn)不足的場(chǎng)合；第三種就是利用機(jī)床系統(tǒng)本身PLC功能及輸入/輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。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(hào)為PSEN-SL-0.5P。其機(jī)床安全門聯(lián)鎖采用具有雙輸入安全通道信號(hào)，具有門關(guān)閉檢測(cè)、門鎖鎖住檢測(cè)和鎖住吸力檢測(cè)的功能。且采用獨(dú)立的DC24V直流電源供電，門鎖電路電源與機(jī)床內(nèi)部的電源隔離，有效防止了門鎖電路和機(jī)床電路相互影響。在安裝調(diào)試過程中，需要重點(diǎn)關(guān)注雙輸入信號(hào)的連接和信號(hào)干擾的隔離控制。

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

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

機(jī)床門聯(lián)鎖控制邏輯如圖3所示，數(shù)控機(jī)床在MEM（F3.5-1）和RMT（F3.4=1）自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，手動(dòng)/自動(dòng)關(guān)閉機(jī)床封戶門，當(dāng)防護(hù)門關(guān)閉信號(hào)輸出（X5.0=1）后,才能啟動(dòng)機(jī)床循環(huán)啟動(dòng)按鍵，否則機(jī)床會(huì)出現(xiàn)2001報(bào)警。重新關(guān)閉防護(hù)門，再次啟動(dòng)循環(huán)啟動(dòng)按鍵，機(jī)床報(bào)警自動(dòng)消失，門鎖鎖住繼電器信號(hào)輸出（Y6.1=1），實(shí)施門鎖鎖住控制，當(dāng)門鎖鎖住信號(hào)輸出（X5.1=1），系統(tǒng)主軸使能信號(hào)（G29.6）和進(jìn)給暫停信號(hào)（G8.5）有效，通過門鎖鎖住信號(hào)的下降沿觸發(fā)系統(tǒng)循環(huán)啟動(dòng)信號(hào)G7.2，完成機(jī)床自動(dòng)循環(huán)控制（F0.5=1），當(dāng)門聯(lián)鎖鎖住信號(hào)未輸出，機(jī)床會(huì)發(fā)出2002報(bào)警。當(dāng)自動(dòng)加工程序結(jié)束、進(jìn)給暫停及緊急情況下。機(jī)床門聯(lián)鎖自動(dòng)解鎖（Y6.1=0）。

圖3 門聯(lián)鎖控制邏輯圖

2.2 機(jī)床程序升級(jí)改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

在不影響機(jī)床控制功能基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)門聯(lián)鎖控制功能的PLC程序設(shè)計(jì)與改進(jìn)，下面以典型的FANUC數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床為例，進(jìn)行PLC程序的設(shè)計(jì)。

如圖4所示，機(jī)床在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)防護(hù)門手動(dòng)控制時(shí)，門聯(lián)鎖鎖住控制信號(hào)（Y6.1）獲電的條件是機(jī)床防護(hù)門關(guān)閉信號(hào)（X5.0=1）和循環(huán)啟動(dòng)命令（X10.2=1）；當(dāng)防護(hù)門自動(dòng)控制時(shí)，門鎖鎖鎖住輸出信號(hào)（Y6.1）還要添加雙門關(guān)閉到位信號(hào)檢測(cè)（X15.1=1和X15.2=1），通過系統(tǒng)PLC參數(shù)K5.1進(jìn)行選項(xiàng)控制（K5.1=1該功能有效）。

圖4 門聯(lián)鎖鎖住輸出信號(hào)檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)

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

圖5 自動(dòng)門雙安檢功能的實(shí)現(xiàn)

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

圖6 機(jī)床操作簡(jiǎn)化的實(shí)現(xiàn)

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

圖7 進(jìn)給暫停下的解鎖功能的實(shí)現(xiàn)

如圖8所示，當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)報(bào)警或急停操作時(shí)，通過急停信號(hào)X8.4及系統(tǒng)復(fù)位鍵F1.1時(shí)，門聯(lián)鎖也會(huì)自動(dòng)解鎖。當(dāng)防護(hù)門沒有關(guān)閉執(zhí)行自動(dòng)啟動(dòng)命令，機(jī)床發(fā)出2001報(bào)警，按下循環(huán)啟動(dòng)按鍵后，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有得到門鎖鎖住信號(hào)，機(jī)床發(fā)出2002報(bào)警。

圖8 極端狀態(tài)下解鎖功能及報(bào)警信息控制功能的實(shí)現(xiàn)

3 改進(jìn)效果分析

通過對(duì)一汽解放事業(yè)本部傳動(dòng)事業(yè)部軸齒廠的300多臺(tái)機(jī)床門聯(lián)鎖的安裝及改進(jìn)，順利地通過了廠家的安全評(píng)價(jià)和功能的驗(yàn)收。如圖9所示，再經(jīng)過1年的穩(wěn)定運(yùn)行，綜合對(duì)其效果進(jìn)行評(píng)估。在300多臺(tái)對(duì)機(jī)床門聯(lián)鎖安裝改進(jìn)后，在確保運(yùn)行故障率為2%的同時(shí)，因機(jī)床防護(hù)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(duì)傳統(tǒng)門聯(lián)鎖控制功能進(jìn)行的改進(jìn)和優(yōu)化處理中，在保證操作者在計(jì)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(jì)數(shù)據(jù)為下降了60%），同樣也得到了機(jī)床操作者的認(rèn)可。

圖9 改進(jìn)后效果展示

4 結(jié)語

改進(jìn)后的數(shù)控機(jī)床門聯(lián)鎖功能在經(jīng)過近15個(gè)月的使用，設(shè)備運(yùn)行可靠穩(wěn)定，安全系數(shù)高。在門檢測(cè)、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(hù)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(duì)一汽解放事業(yè)本部傳動(dòng)事業(yè)部軸齒廠FANUC-0iC/0iD/0iF系統(tǒng)機(jī)床門聯(lián)鎖改造升級(jí)過程中，不光滿足了實(shí)際生產(chǎn)的需要，在未來對(duì)其他廠家門聯(lián)鎖的安裝調(diào)試提供了改進(jìn)方法，具有一定的指導(dǎo)意義。