基于PLC的數(shù)控機(jī)床安全控制設(shè)計(jì)

謝升周

摘 要：本文結(jié)合數(shù)控機(jī)床PLC控制程序的設(shè)計(jì)原理，提出一種基于PLC的數(shù)控機(jī)床安全控制設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其設(shè)計(jì)思路進(jìn)行研究，并為相關(guān)實(shí)踐及研究提供參考。

關(guān)鍵詞：PLC 數(shù)控機(jī)床 安全控制 設(shè)計(jì) 研究

數(shù)控機(jī)床作為加工制造行業(yè)生產(chǎn)的重要設(shè)備，與傳統(tǒng)機(jī)床加工相比，不僅進(jìn)行零件加工的精度高，并且加工效率高、產(chǎn)量質(zhì)量穩(wěn)定，具有較高的自動(dòng)化水平等，在機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展中具有非常顯著的地位和作用。而數(shù)控機(jī)床安全控制系統(tǒng)是針對(duì)數(shù)控機(jī)床加工應(yīng)用中技術(shù)設(shè)計(jì)層面存在著不足，結(jié)合數(shù)控機(jī)床加工運(yùn)行中容易出現(xiàn)的安全事故及問(wèn)題設(shè)計(jì)的一種自動(dòng)化控制與管理系統(tǒng)，對(duì)確保數(shù)控機(jī)床加工操作的安全性有著非常積極的作用和意義。下文將對(duì)基于PLC的數(shù)控機(jī)床安全控制設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 數(shù)控機(jī)床的PLC控制原理分析

數(shù)控機(jī)床的加工操作控制方式主要包括以CNC系統(tǒng)利用實(shí)現(xiàn)的數(shù)字信息控制和以數(shù)控機(jī)床各裝置動(dòng)作開(kāi)關(guān)、傳感器以及控制按鈕等開(kāi)關(guān)信號(hào)狀態(tài)為條件，通過(guò)相應(yīng)的邏輯順序?qū)Ω鏖_(kāi)關(guān)動(dòng)作及運(yùn)行進(jìn)行控制的兩種不同方式。其中，后一種通過(guò)開(kāi)關(guān)量信號(hào)順序控制實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床動(dòng)作控制的方式中，其控制由PLC程序?qū)崿F(xiàn)。PLC作為一種可編程控制程序，在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行控制中應(yīng)用，不僅具備控制動(dòng)作響應(yīng)快、精度高、可靠性突出等特征，并且其控制程序的設(shè)計(jì)能夠結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)完善，同時(shí)與計(jì)算機(jī)連接接口設(shè)計(jì)形式，使其連接與維護(hù)都比較方便，在數(shù)控機(jī)床控制設(shè)計(jì)應(yīng)用中較為受歡迎。通常情況下，數(shù)控機(jī)床中設(shè)計(jì)應(yīng)用的PLC控制程序主要包含系統(tǒng)控制和用戶(hù)程序兩個(gè)部分，而系統(tǒng)控制中又包含監(jiān)控程序、診斷程序與編譯程序等，該程序結(jié)構(gòu)一般由生產(chǎn)廠家提供，以一種固化狀態(tài)安裝設(shè)置在EPROM中進(jìn)行系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)，該程序結(jié)構(gòu)在運(yùn)行控制中不能由用戶(hù)進(jìn)行直接存取或干預(yù)。此外，PLC控制程序中用戶(hù)程序部分，是用戶(hù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)控制的需求，通過(guò)PLC程序語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)的一種應(yīng)用程序，通過(guò)這種應(yīng)用程序能夠滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各種控制要求。利用PLC程序語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的用戶(hù)程序設(shè)計(jì)時(shí)，主要設(shè)計(jì)語(yǔ)言包含語(yǔ)句表、梯形圖以及功能塊圖等多種語(yǔ)言形式。需要注意的是，數(shù)控機(jī)床運(yùn)行中，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的多數(shù)動(dòng)是在PLC控制程序設(shè)計(jì)指令的控制下完成的，通過(guò)PLC控制程序不僅能夠進(jìn)行數(shù)控機(jī)床運(yùn)行中故障問(wèn)題的快速檢測(cè)與維修處理，同時(shí)還可以通過(guò)PLC控制程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)，添加相應(yīng)的數(shù)控機(jī)床執(zhí)行動(dòng)作及功能，在數(shù)控機(jī)床控制應(yīng)用中效果及優(yōu)勢(shì)十分顯著。

2 基于PLC的數(shù)控機(jī)床安全控制設(shè)計(jì)分析

2.1 基于PLC的數(shù)控機(jī)床安全控設(shè)計(jì)方案。數(shù)控機(jī)床作為機(jī)械制造的重要設(shè)備，在工業(yè)制造與加工行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，尤其是隨著自動(dòng)化與智能化發(fā)展，新型數(shù)控機(jī)床設(shè)備在機(jī)械制造中的引進(jìn)應(yīng)用越來(lái)越多，而安全問(wèn)題作為數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)考慮的首要問(wèn)題，對(duì)數(shù)控機(jī)床加工操作的安全性及生產(chǎn)效率等都存在著較大的影響。結(jié)合數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造中應(yīng)用的實(shí)際情況，由于對(duì)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)操作的不正確或者是機(jī)床設(shè)備本身原因?qū)е碌墓收蠁?wèn)題，在機(jī)床運(yùn)行控制中一般需要在故障報(bào)警消除后重新返回HOME狀態(tài)時(shí)才能夠再次進(jìn)行機(jī)床運(yùn)行動(dòng)作命令的執(zhí)行，但是也存在著部分?jǐn)?shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)在故障消除后不需要返回HOME狀態(tài)即可以直接實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行控制。值得注意的是，上述兩種數(shù)控機(jī)床控制方式，后一種在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行控制應(yīng)用中雖然能夠在一定程度上節(jié)省動(dòng)作命令操作執(zhí)行的時(shí)間，但是因此造成的安全隱患也比較突出。以后一種故障報(bào)警消除后不需要返回HOME狀態(tài)即可再次運(yùn)行程序的控制系統(tǒng)為例，假設(shè)其在某次運(yùn)行中出現(xiàn)故障報(bào)警并產(chǎn)生停機(jī)動(dòng)作，在操作人員消除故障報(bào)警后為返回HOME狀態(tài)即再次啟動(dòng)運(yùn)行程序，而再次運(yùn)行過(guò)程中由于主軸與夾具出現(xiàn)碰撞導(dǎo)致主軸精度及動(dòng)平衡出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致其在實(shí)際加工生產(chǎn)中無(wú)法滿(mǎn)足相應(yīng)的工藝技術(shù)質(zhì)量要求，對(duì)生產(chǎn)效益產(chǎn)生了極大的影響。根據(jù)這一實(shí)例就可以看出，機(jī)床在運(yùn)行報(bào)警停機(jī)后，機(jī)床夾具與主軸位置狀態(tài)即發(fā)生變化，與初始狀態(tài)存在差異，而消除故障報(bào)警后立即重新運(yùn)行程序，執(zhí)行后續(xù)程序名，必然容易造成主軸誤動(dòng)作引起主軸與夾具或加工工件發(fā)生碰撞，從而對(duì)機(jī)床加工的工藝質(zhì)量及效果產(chǎn)生不利影響。針對(duì)這種情況必然需要進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)床運(yùn)行安全控制改進(jìn)或設(shè)計(jì)應(yīng)用，以確保機(jī)床加工運(yùn)行的安全性和工藝質(zhì)量效果。本文所提出的基于PLC的數(shù)控機(jī)床安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，就是針對(duì)上述機(jī)床運(yùn)行控制系統(tǒng)問(wèn)題，為避免機(jī)床運(yùn)行控制不當(dāng)導(dǎo)致的工件加工工藝質(zhì)量不合格等問(wèn)題影響，以數(shù)控機(jī)床FUNUC系統(tǒng)加工中心設(shè)計(jì)了一個(gè)相應(yīng)的機(jī)床動(dòng)作安全控制程序，對(duì)機(jī)床執(zhí)行加工程度或空運(yùn)行程序下停機(jī)故障報(bào)警以及報(bào)警消除后必須通過(guò)執(zhí)行返回HOME狀態(tài)才能再次運(yùn)行程序的功能進(jìn)行保障，以避免引起設(shè)備故障后夾具、主軸狀態(tài)誤動(dòng)狀態(tài)導(dǎo)致碰撞發(fā)生，影響機(jī)床設(shè)備的正常運(yùn)行使用，滿(mǎn)足工件加工工藝需求。

2.2 設(shè)計(jì)思路與實(shí)施分析。上述針對(duì)機(jī)床運(yùn)行誤動(dòng)狀態(tài)及影響設(shè)計(jì)的防錯(cuò)安全控制系統(tǒng)，是以數(shù)控機(jī)床PLC控制程序及其設(shè)計(jì)原理為基礎(chǔ)，同時(shí)以機(jī)床自動(dòng)化運(yùn)行作為條件，在增加機(jī)床啟動(dòng)運(yùn)行的條件限制情況下，通過(guò)在機(jī)床運(yùn)行控制操作面板設(shè)置循環(huán)啟動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)指示燈以及返修指示燈、返修控制按鈕等操作裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床運(yùn)行動(dòng)作執(zhí)行的安全控制。首先，在數(shù)控機(jī)床啟動(dòng)運(yùn)行動(dòng)作條件的添加設(shè)置上，分別增加設(shè)置了機(jī)床動(dòng)作啟動(dòng)執(zhí)行必須在x、y、z軸動(dòng)作回到第二參考點(diǎn)，同時(shí)A軸動(dòng)作處于90度狀態(tài)時(shí)，數(shù)控機(jī)床的啟動(dòng)動(dòng)作才能夠再次執(zhí)行；此外，數(shù)控機(jī)床主軸刀具為初始刀具或空刀時(shí)，機(jī)床動(dòng)作執(zhí)行的啟動(dòng)運(yùn)行才能再次實(shí)現(xiàn)；數(shù)控機(jī)床A軸為夾緊狀態(tài)，同時(shí)夾具為松開(kāi)狀態(tài)的情況下，機(jī)床啟動(dòng)程序即可滿(mǎn)足再次執(zhí)行命令要求。需要注意的是，在上述4個(gè)數(shù)控機(jī)床啟動(dòng)條件中，其啟動(dòng)運(yùn)行命令執(zhí)行需要在4個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)足情況才能夠執(zhí)行數(shù)控機(jī)床加工程序的自動(dòng)加工命令，而上述機(jī)床啟動(dòng)條件的添加設(shè)置則是為了確保機(jī)床在故障報(bào)警后，需要先通過(guò)RETURN程序運(yùn)行，在機(jī)床恢復(fù)至能夠正常運(yùn)行狀態(tài)的情況下，才能夠在HOME狀態(tài)下執(zhí)行自動(dòng)運(yùn)行的動(dòng)作命令，以避免引起機(jī)床誤動(dòng)造成的碰撞發(fā)生，影響機(jī)床加工運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

其次，結(jié)合上述機(jī)床啟動(dòng)運(yùn)行條件設(shè)置，在未滿(mǎn)足機(jī)床自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)條件的情況先，其循環(huán)啟動(dòng)準(zhǔn)備就緒指示燈即不會(huì)發(fā)出提示，這一情況下，通過(guò)循環(huán)啟動(dòng)按鍵操作控制機(jī)床循環(huán)啟動(dòng)運(yùn)行就會(huì)導(dǎo)致機(jī)床發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，對(duì)機(jī)床加工操作人員發(fā)出提示，只有按照設(shè)計(jì)程序進(jìn)行故障處理與恢復(fù)動(dòng)態(tài)狀態(tài)的情況下，才能夠通過(guò)控制鍵操作使機(jī)床進(jìn)入再次自動(dòng)運(yùn)行的工作狀態(tài)，同時(shí)控制程序根據(jù)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行再次循環(huán)監(jiān)控管理。最后，在機(jī)床工件需要返修情況下，通過(guò)對(duì)相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)進(jìn)行執(zhí)行，按下返修控制鍵即可發(fā)出返修提示，進(jìn)入工件返修加工狀態(tài)，而返修加工狀態(tài)下，設(shè)備運(yùn)行不會(huì)受到循環(huán)啟動(dòng)準(zhǔn)備就緒控制條件限制，能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)啟動(dòng)運(yùn)行。如下圖1所示，即為根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案及思路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于PLC的數(shù)控機(jī)床安全控制程序。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，進(jìn)行基于PLC的數(shù)控機(jī)床安全控制設(shè)計(jì)研究，有利于促進(jìn)在數(shù)控機(jī)床程序設(shè)計(jì)中的推廣應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化水平提升以及確保數(shù)控機(jī)床加工操作安全等，都有十分積極的作用和意義。

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