精密鏜床安全控制邏輯優(yōu)化與實現(xiàn)

孔繁霽，王富強，劉本剛，2

(1.沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110034;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

長期以來，由于某型精密鏜床所加工的零件尺寸比較小，在機床加工過程中若遇到緊急制動時因為有足夠的空間使機床在安全區(qū)域內(nèi)停車，從而能夠避免機床與零件碰撞。但隨著航空結(jié)構(gòu)件趨向大型化和整體化，在大型鈦合金框鏜孔時多次發(fā)生機床移動部分與鈦合金整體框類零件非常接近的情況，嚴重危及安全生產(chǎn)。由于該鈦合金框鏜孔工序接近零件完工，一旦發(fā)生異常不但造成巨大損失，甚至?xí)l(fā)生其他安全意外。因此，迫切需要實現(xiàn)基于安全策略的控制邏輯優(yōu)化，以提高精密鏜床加工過程的安全性和可靠性。

1 精密鏜床存在的問題

通過對精密鏜床原控制邏輯分析發(fā)現(xiàn)，觸發(fā)急停信號時機床通過延時切斷機床驅(qū)動總電源，從而能使快速進給軸停止運動。具體而言，在臥式精密鏜床鏜孔加工過程中，若遇到緊急情況，操作人員觸發(fā)急停開關(guān)時，機床主軸軸向快速進給軸(Z軸)會延時一定時間之后再切斷機床驅(qū)動總電源，這意味著進給軸仍有一段時間的電機驅(qū)動和因慣性產(chǎn)生的繼續(xù)自由運動，而且該過程完全處于失控狀態(tài)，這對本身沒有制動能力的常規(guī)精密鏜床而言，極易發(fā)生重大生產(chǎn)事故，存在巨大潛在危險。同時，該設(shè)備由于電氣老化還存在諸多其他問題，如PLC控制接觸器線圈電源斷開后接觸器觸點不動作，導(dǎo)致無法及時切斷驅(qū)動電機電源；操作面板按鈕松開后不能及時回彈導(dǎo)致控制線路延時導(dǎo)通或斷路等問題。

2 精密鏜床運動軸安全控制策略及邏輯優(yōu)化

基于鏜床存在的問題及對原控制邏輯分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致鏜床發(fā)生上述問題的主要原因是機床執(zhí)行緊急制動指令后仍會運動一段距離，這是由于驅(qū)動電機電源延時切斷和進給軸自由剎車兩個階段產(chǎn)生的運動累計。針對電源延時切斷可以從控制系統(tǒng)部分對控制邏輯優(yōu)化，使機床接收到緊急制動指令后立即切斷電機控制接觸器線圈電源，還可以根據(jù)需要增加外部抱閘來解決電源切斷后軸的自由運動問題。

同時，針對實際生產(chǎn)中鏜床偶爾出現(xiàn)因線路器件老化未被發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致無法及時切斷驅(qū)動電機電源的問題，除增加安全邏輯設(shè)計和外圍冗余硬件控制電路，以防在切斷接觸器線圈電源而觸點仍未脫扣使驅(qū)動電機繼續(xù)運行的危險外，還設(shè)計了兩級安全控制策略。本文在原控制邏輯優(yōu)化基礎(chǔ)上提出了基于安全防護的軸運動控制策略，如圖1所示。

圖1 基于安全防護的軸運動控制策略

在上述控制邏輯下，若任意時刻觸發(fā)急停信號，控制系統(tǒng)會立刻將控制軸電機電源的接觸器線圈電源斷開(PLC對應(yīng)的驅(qū)動電機接觸器線圈輸出IO狀態(tài)應(yīng)為0)；若在0.5 s內(nèi)未監(jiān)測到該接觸器觸點松開信號(PLC對應(yīng)的接觸器輔助常開觸點輸入IO狀態(tài)應(yīng)為1)，控制系統(tǒng)會立即將驅(qū)動電源總接觸器線圈電源斷開(PLC對應(yīng)的總接觸器線圈輸出IO狀態(tài)應(yīng)為0)，同時發(fā)出驅(qū)動電機接觸器硬件異常報警，此時控制系統(tǒng)若監(jiān)測到總接觸器觸點斷開輸入信號(PLC對應(yīng)的總接觸器輔助常開觸點輸入IO狀態(tài)應(yīng)為1)，則執(zhí)行抱閘動作使軸抱死(此時PLC對應(yīng)的抱閘輸出IO狀態(tài)為1)，否則控制系統(tǒng)發(fā)出最高級報警(總接觸器硬件故障報警)，提示操作人員立即手動關(guān)閉機床總電源開關(guān)；若電機電源接觸器正常動作(斷開)，則會直接執(zhí)行抱閘動作，此時跳過執(zhí)行總接觸器控制流程。控制系統(tǒng)在抱閘動作5 s后自動復(fù)位，打開軸抱閘。針對上述報警，待硬件修復(fù)后系統(tǒng)會自動復(fù)位報警消息。

3 PLC調(diào)試與實現(xiàn)

該精密鏜床PLC控制器屬于早已停產(chǎn)設(shè)備，缺乏相關(guān)資料和通信工具，因此實際實施控制邏輯優(yōu)化中需要解決控制系統(tǒng)通信、接口、制作編程電纜及調(diào)試等諸多現(xiàn)場問題。

經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，富士NB系列PLC的通信接口標準為RS485/422,采用8針RJ45水晶頭插座，上位機與其通信時需要進行通信標準的轉(zhuǎn)換，本文采用RS422/485轉(zhuǎn)USB模式。按照PLC通信接口引腳定義(如表1所示)和轉(zhuǎn)換器模塊引腳說明，使用“USB轉(zhuǎn)RS422轉(zhuǎn)換器”和RJ45插頭、網(wǎng)線制作了編程電纜。經(jīng)測試后可以與該PLC正常通信，完成了程序上載、下傳和調(diào)試。具體串口通信配置參數(shù)如表2所示。

表1 富士PLC通信總線接口(水晶頭)引腳及定義

表2 串口通信配置

針對鏜床偶爾出現(xiàn)因線路器件老化未及時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致驅(qū)動電機電源無法切斷的問題，除增加上述安全控制邏輯外，同時將操作面板部分按鍵的檢測信號由高低電平方式修改為上升沿/下降沿檢測方式，防止按鍵由于老化按下后未能及時恢復(fù)導(dǎo)致觸發(fā)信號異常進而使機床誤動作，嚴重影響生產(chǎn)安全，從而提高了該鏜床的操作和運行安全性。

4 結(jié)語

本文在分析精密鏜床原控制系統(tǒng)存在的問題基礎(chǔ)上，針對使用過程中存在的制動延時和硬電路故障頻發(fā)問題，解決了PLC總線通信和原PLC控制邏輯的優(yōu)化等問題，并通過增加冗余接觸器和改變觸發(fā)信號檢測方式，提高了鏜床運行和操作的安全性。實際應(yīng)用表明，系統(tǒng)升級后該精密鏜床完全實現(xiàn)了緊急停車及安全防護功能，如觸發(fā)“急?！毙盘枙r，控制系統(tǒng)會立即切斷快速進給軸驅(qū)動電機電源，與此同時進給軸由于外部抱閘動作實現(xiàn)緊急停車功能，若出現(xiàn)異常控制系統(tǒng)會迅速通過控制總接觸器切斷總驅(qū)動電源，實現(xiàn)了兩級安全防護策略，完全解決了原控制系統(tǒng)存在的問題，滿足了大型整體結(jié)構(gòu)件的安全加工需求。