數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)安全功能的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)分析

馬然

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西省長治市 046000）

數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可獲取的一個(gè)重要組成部分，對應(yīng)的安全問題，也開始得到越來越多的關(guān)注。對于數(shù)控機(jī)床而言，其安全體系呈現(xiàn)出多層面的特征，一方面要保證自動(dòng)化，能夠讓機(jī)床自身及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并且停止工作，另一個(gè)方面還需要聽從工作人員的指令，并且保護(hù)機(jī)床的維護(hù)和使用人員遠(yuǎn)離安全風(fēng)險(xiǎn)。在這樣的環(huán)境之下，越來越多的安全技術(shù)開始涌現(xiàn)，而始于1956年日本的FANUC，則以其操作界面的簡潔，而在應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)了一席之地。

1 FANUC結(jié)構(gòu)分析

依據(jù)國際上通用的設(shè)備控制系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)規(guī)范，F(xiàn)ANUC 采用了類別3 展開工作。在這一框架體系之下，需要確保即便發(fā)生了系統(tǒng)錯(cuò)誤，安全體系也可以正常運(yùn)行，只有在存在多個(gè)系統(tǒng)錯(cuò)誤的時(shí)候，安全功能才會(huì)失效。這樣的安全體系，通常而言會(huì)設(shè)置并行的兩個(gè)邏輯鏈路，分別會(huì)具有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，并且由兩個(gè)相對獨(dú)立的控制邏輯單元對信號(hào)展開分析和處理。但是這樣的兩個(gè)數(shù)據(jù)核心，其本身之間又會(huì)保持聯(lián)系，形成相互之間的交叉監(jiān)督。這樣的結(jié)構(gòu)，一方面能夠確保相關(guān)信號(hào)的一致性，另一個(gè)方面則是在一個(gè)數(shù)據(jù)處理單元發(fā)生故障的時(shí)候，另一個(gè)數(shù)據(jù)處理單元可以保持系統(tǒng)正常工作。

從硬件結(jié)構(gòu)的角度看，F(xiàn)ANUC 硬件由幾個(gè)主要部分組成，諸如CNC 控制器、伺服/主軸電機(jī)、伺服放大器、FSSB I/O 模塊、MCC 及與其相關(guān)的安全門控制電路等都會(huì)包含在內(nèi)。其中CNC 控制器進(jìn)一步包括主CPU 和監(jiān)控CPU 兩個(gè)部分，其中主CPU 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理，而監(jiān)控CPU 則專門負(fù)責(zé)對安全相關(guān)的輸入輸出信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，其中也包括伺服電機(jī)運(yùn)行的速度是否符合安全速度，以及機(jī)床的具體位置是否符合冗余模式等細(xì)節(jié)。而主軸電機(jī)的安全速度，則由CNC CPU 以及主軸驅(qū)動(dòng)器CPU 進(jìn)行監(jiān)控和獲取數(shù)據(jù)。安全相關(guān)的多路輸入信號(hào)，分別通過FANUC 的串行總線和輸入輸出通信環(huán)路送達(dá)CNC 的兩個(gè)CPU 處，展開進(jìn)一步的交叉監(jiān)控。具體而言，整個(gè)信息流程參見圖1。

2 FANUC系統(tǒng)的安全功能實(shí)現(xiàn)

在FANUC 中，雙安檢體系可以在如下幾個(gè)方面上給予保證：

2.1 主軸控制

圖1：FANUC 信號(hào)傳輸與處理流程

圖2：MCC 關(guān)斷測試時(shí)序示意

從安全的角度看，主軸的控制主要是主軸的停止控制。對于數(shù)控機(jī)床而言，其主軸電機(jī)為電磁感應(yīng)運(yùn)行方式，此種電機(jī)在供電中斷之后，仍然會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，這與安全的理念無疑是相悖的，因此縮短這個(gè)旋轉(zhuǎn)時(shí)間，是FANUC 系統(tǒng)的主要價(jià)值體現(xiàn)。對于CNC 而言，當(dāng)其檢測到系統(tǒng)錯(cuò)誤時(shí)會(huì)首先判斷主軸是否處于可控狀態(tài)之下，并且會(huì)選擇對其展開控制，在其停轉(zhuǎn)之后才對電源進(jìn)行切斷。而FANUC 則能夠?qū)崿F(xiàn)等待時(shí)間的設(shè)定控制，具體而言，可以設(shè)定兩個(gè)數(shù)值，其一用于在安全功能保持激活狀態(tài)的情況之下進(jìn)行主軸控制，其二則用于其他情況的主軸控制。二者之間的區(qū)別，在于防護(hù)門是否處于打開狀態(tài)，這決定了環(huán)境對于數(shù)控機(jī)床安全的實(shí)際需求水平。具體而言，就是由PMC 輸出急停信號(hào)，包括*ESPA(G71.1)以及*ESPB(G75.1)等，并且送達(dá)NC 組件。通過此種方式來實(shí)現(xiàn)主軸的減速，一直到主軸完全停止之后才會(huì)斷電。這種主動(dòng)制動(dòng)的方式，相對而言更為安全。

圖3：FANUC 系統(tǒng)可編程安全關(guān)系到的輸入輸出信號(hào)

2.2 伺服電機(jī)的控制

數(shù)控機(jī)床框架之下的伺服電機(jī)即為同步電機(jī)，其電力的供給或者切斷，直接關(guān)系到動(dòng)態(tài)剎車等細(xì)節(jié)功能的實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行安全剎車制動(dòng)的過程中，首先會(huì)給電機(jī)轉(zhuǎn)子斷電實(shí)現(xiàn)能源隔離，而后繞組會(huì)消耗再生電力。除此以外，系統(tǒng)內(nèi)置電阻會(huì)生成附加剎車作用，因此伺服電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)滑坡問題。當(dāng)CNC 接收到急停請求，或者發(fā)現(xiàn)安全隱患需要作出急停決策的時(shí)候，就會(huì)自動(dòng)將速度重置為零，并且執(zhí)行減速停止的操作，隨后進(jìn)一步切斷電機(jī)電源，電機(jī)進(jìn)入動(dòng)態(tài)剎車停止?fàn)顟B(tài)。

2.3 安全輸入輸出信號(hào)監(jiān)控

FANUC 系統(tǒng)會(huì)對多項(xiàng)與安全相關(guān)的輸入輸出信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測，其中包括急停輸入（*ESP）、防護(hù)門狀態(tài)輸入信號(hào)(SGD/SGD2/SGD3/SGD4)、MCC 接觸器狀態(tài)監(jiān)控輸入信號(hào)(*SMC)以及可編程安全相關(guān)輸入信號(hào)(SDI00～SDI15)等。這些信號(hào)會(huì)經(jīng)由不同的渠道送達(dá)I/O Link 和 FSSB 兩個(gè)終端，并且交由獨(dú)立的不同CPU開對其進(jìn)行檢查和對比，如果發(fā)現(xiàn)二者之間獲取到的信號(hào)存在差異，則FANUC 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換進(jìn)入安全停止?fàn)顟B(tài)。除此以外，F(xiàn)ANUC 系統(tǒng)的雙安檢功能還會(huì)對兩個(gè)CPU 獲取到的信號(hào)展開實(shí)時(shí)的對比，確定信號(hào)在一定時(shí)間段內(nèi)保持一致。并且該系統(tǒng)功能，并不包括對防護(hù)門打開請求輸入信號(hào)(ORQ /ORQ2 /ORQ3/ORQ4)、啟動(dòng)測試模式輸入信號(hào)(OPT)、鎖住防護(hù)門命令輸出信號(hào)(*LGD/*LGD2/*LGD3/*LGD4)等進(jìn)行冗余檢查，主要是避免安全誤判問題的發(fā)生。

2.4 急停功能的處理

急停功能相對而言涉及到比較多的具體情況。首先，急停信號(hào)可能會(huì)來源于工作人員，當(dāng)FANUC 系統(tǒng)接到源于工作人員的輸入信號(hào)，伺服電機(jī)即進(jìn)入減速停止執(zhí)行過程，主軸電機(jī)減速制動(dòng)停止，在完成之后切斷電源。其次，當(dāng)系統(tǒng)接收到防護(hù)門打開請求的時(shí)候，系統(tǒng)的雙安檢功能首先對每個(gè)伺服軸和主軸的速度進(jìn)行確認(rèn)，首先對其運(yùn)行是否符合安全速度要求進(jìn)行確定，而后進(jìn)一步對機(jī)床安全位置狀態(tài)進(jìn)行確定。如果相關(guān)條件都能夠滿足，則發(fā)出防護(hù)門解鎖信號(hào)，允許防護(hù)門打開。如果不滿足上述條件，則系統(tǒng)的雙安檢功能就會(huì)切換到安全停止?fàn)顟B(tài)。除此以外，在防護(hù)門處于打開狀態(tài)的情況之下，雙安檢功能還會(huì)展開對于每一個(gè)伺服軸的相關(guān)參數(shù)展開持續(xù)的考察，確保伺服軸處于安全的范圍內(nèi)。一旦發(fā)現(xiàn)存在超出該范圍的情況，雙安檢系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)切換到安全停止?fàn)顟B(tài)。

2.5 MCC關(guān)斷測試

電機(jī)控制中心（MCC，Motor Control Center），其主要職能在于實(shí)現(xiàn)對于整個(gè)電氣系統(tǒng)的控制，其中包括配電以及設(shè)備等諸多組件。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，實(shí)際工作中會(huì)將電機(jī)的多個(gè)控制單元進(jìn)行壓縮集成，并且實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一供電。落實(shí)在FANUC 系統(tǒng)中，MCC 則扮演著數(shù)控伺服驅(qū)動(dòng)器上對應(yīng)的動(dòng)力控制繼電器的角色。在FANUC系統(tǒng)框架之下，每24 小時(shí)必須展開一次MCC 關(guān)斷測試，以確保其性能良好，可以隨時(shí)投入使用。MCC 測試會(huì)在上一次關(guān)斷24 小時(shí)之后，或者系統(tǒng)重新啟動(dòng)上電的時(shí)候，在監(jiān)視器上顯示進(jìn)行MCC關(guān)斷測試的提示信息，且只有在完成MCC 關(guān)斷測試之后，防護(hù)門才能打開，整個(gè)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)才能開始正常使用。對于MCC 關(guān)斷測試的具體操作，可以參見圖2。

2.6 FANUC系統(tǒng)編程安全

在FANUC 系統(tǒng)中，可編程安全與輸入輸出信號(hào)的相關(guān)功能密切相關(guān)，參見圖3。

3 結(jié)論

對于FANUC 系統(tǒng)而言，其在數(shù)控機(jī)床安全領(lǐng)域的表現(xiàn)一直都比較穩(wěn)定。在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境之中，一個(gè)車間可能會(huì)有多個(gè)不同型號(hào)的機(jī)床，品牌和功能也必然會(huì)存在差異，對應(yīng)的安全功能的實(shí)現(xiàn)方式必然存在不同。在這樣的環(huán)境下，必須要對FANUC 系統(tǒng)進(jìn)行妥善設(shè)置，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的高效率運(yùn)行，同時(shí)為相關(guān)工作人員提供更高安全保證的工作環(huán)境。