數(shù)控機床自動開關(guān)門改造研究與實踐

王杰

摘要：數(shù)控機床已經(jīng)逐漸進入智能化發(fā)展進程，更多智能化數(shù)控機床漸漸產(chǎn)生，使生產(chǎn)效率和精細程度得到了提升。本文以配置FANUC Oi TF系統(tǒng)的數(shù)控車床防護門的自動開關(guān)改造為例，闡述了CNC系統(tǒng)M指令執(zhí)行過程和氣動系統(tǒng)運行過程，并設(shè)計出數(shù)控機床防護門自動開關(guān)的PMC程序和氣動系統(tǒng)，實現(xiàn)了防護門自動開關(guān)的改造，為數(shù)控機床的智能化改造提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床;自動化;智能化改造

數(shù)控機床是現(xiàn)階段使用比較廣泛的機械設(shè)備， 其有效的提升了機械產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。然而根據(jù)現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展需求，其中數(shù)控智能化的改造是其中的重要環(huán)節(jié)，不僅滿足了數(shù)控機床和工業(yè)機器人的智能控制，而且大大節(jié)約了裝備升級的成本。目前，伴隨著勞動力成本的不斷提高， “去人化”在中小型機械制造企業(yè)顯得尤為迫切。通過數(shù)控機床自動開關(guān)門的改造，使機床的安全性能有很大的提升，可在一定程度上提高加工效率，降低機床的成本。

1總體研制方案設(shè)計

數(shù)控機床防護門，大多是靠人工進行開關(guān)，對其進行開關(guān)門的自動化改造是多數(shù)中小型制造企業(yè)實現(xiàn)零件加工“去人化”的關(guān)鍵一步。此前已有利用單片機進行控制，實現(xiàn)機床防護門的自動開關(guān)，但開發(fā)周期長且復雜，運行不穩(wěn)定，也不便于后期與工業(yè)機器人、PLC等通訊進行二次開發(fā)建成智能生產(chǎn)單元，或直接布局到智能生產(chǎn)線中。

本文將以陜西寶雞機床廠生產(chǎn)的CK7516A數(shù)控斜床身車床（FANUC Oi TF系統(tǒng)）為例，通過自定義防護門開關(guān)M指令，利用 PMC 控制氣動電磁換向閥來改變氣路流向，實現(xiàn)由氣缸活塞定向伸縮帶動數(shù)控機床防護門的自動開關(guān)，達到數(shù)控機床防護門的自動開關(guān)。

根據(jù)圖1自動門工作流程圖，本文利用數(shù)控機床 PMC 可自定義 M 代碼指令的功能，自定義防護門開關(guān)的 M 代碼 為M93/M94，令M93 是防護門開指令，令M94是防護門關(guān)指令。編寫零件數(shù)控加工程序時，在加工程序開端部分寫入 M93 指令，在程序結(jié)束部分寫入 M94 指令，可以確保防護門的開關(guān)按照要求及設(shè)定的開關(guān)順序執(zhí)行。防護門開關(guān)的執(zhí)行機構(gòu)采用氣動系統(tǒng)實現(xiàn)，用定制的一個雙作用氣缸固定于數(shù)控機床的外殼上，通過螺栓將氣缸活塞與防護門聯(lián)接，雙作用氣缸活塞的運動方向則由氣動電磁換向閥控制，當數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行零件加工程序到M93/M94時，通過 PMC 控制電磁換向閥得電/失電，從而控制電磁換向閥的閥芯位置來改變氣路的氣體流向，再結(jié)合相應(yīng)的行程開關(guān)信號，實現(xiàn)防護門的自動開關(guān)[1]。通過自定義防護門開關(guān) M 指令、PMC 程序、氣動系統(tǒng)等建立起的聯(lián)系，可達到本設(shè)計的要求。

2控制系統(tǒng)運行機制分析

2.1 數(shù)控機床 M 指令執(zhí)行過程的分析

一臺數(shù)控機床是由 CNC 系統(tǒng)、PMC 和機床三者組成，其中 PMC 作為數(shù)控機床的信息交換中心起著連接 CNC 系統(tǒng)和機床的作用。當 CNC 系統(tǒng)運行零件加工程序執(zhí)行到 M 代碼指令時，CNC 系統(tǒng)把 M 指令以其對應(yīng)的二進代碼形式存儲在 PMC 的 M 代碼存儲器中，經(jīng)過延遲固定時間后，再向 PMC 發(fā)出 M 選通信號 MF 的 F 指令。當PMC 接收到 CNC 系統(tǒng)向其發(fā)出的 M 選通信號 MF的 F 指令后，會根據(jù) M 代碼存儲器中的二進代碼內(nèi)容設(shè)置對應(yīng)的 M 指令譯碼成功，并向機床輸出控制信號，使機床相應(yīng)的強電控制線路動作，實現(xiàn)機床電器元件得電或失電，完成執(zhí)行機構(gòu)的動作。在 M 指令執(zhí)行結(jié)束后，PMC 將執(zhí)行一致性檢測指令，檢測所有 M 指令是否都滿足執(zhí)行結(jié)束條件。當所有 M 指令都滿足結(jié)束條件和 M 指令選通指令有效時，PMC 向CNC 系統(tǒng)發(fā)出結(jié)束 FIN 信號 G 指令。在接收到 PMC發(fā)出的 G 指令后，CNC 系統(tǒng)延遲固定時間后先切斷M 指令選通信號，然后切斷 FIN 信號，再切斷 M 代碼輸出信號，M 指令執(zhí)行完畢[1]。

2.2 氣動系統(tǒng)執(zhí)行過程分析

由于氣缸安裝簡單，使用方便，相對之下輸出力較大，使用環(huán)境要求低。根據(jù)現(xiàn)場情況，防護門開關(guān)的執(zhí)行機構(gòu)采用一個雙作用氣缸，利用氣缸活塞桿的定向伸縮動作可以實現(xiàn)防護門的開關(guān)。雙作用氣缸工作時，當壓縮空氣從氣缸前氣孔出氣、從后氣孔進氣時，氣缸活塞桿左移，防護門打開，反之，氣缸活塞右移，防護門關(guān)閉。實現(xiàn)氣缸兩方向伸縮功能主要是依靠氣動電磁換向閥控制壓縮空氣流向，通過控制二位五通電磁換向線圈的得失電，可以控制壓縮空氣的流向，使氣缸活塞實現(xiàn)定向伸縮動作而達到防護門開關(guān)門的目的。

3防護門自動開關(guān)PMC程序設(shè)計

根據(jù)總體方案設(shè)計要求，結(jié)合數(shù)控機床 M 指令執(zhí)行過程的分析，依據(jù) CNC 系統(tǒng) M 指令的執(zhí)行過程和氣動系統(tǒng)運行過程分析，設(shè)計出數(shù)控機床在自動運行方式下的防護門自動開關(guān) PMC 控制程序（節(jié)選），如圖2 所示。

4防護門自動開關(guān)氣動系統(tǒng)設(shè)計

防護門開啟和關(guān)閉采用一標準氣缸執(zhí)行，氣缸參數(shù)如下表2。

防護門開啟和關(guān)閉采用一標準氣缸執(zhí)行，將氣缸用螺栓固定于數(shù)控機床的固定防護罩上，氣缸活塞與防護門用螺栓聯(lián)接。在氣動回路中，增加了一個氣動三聯(lián)件，起到去除空氣中的灰塵和雜質(zhì)、將氣體穩(wěn)壓、使?jié)櫥挽F化進入需要潤滑的部件的作用，如圖3所示為防護門自動開關(guān)的氣路控制原理。采用氣動開關(guān)、配套門開檢測、門關(guān)檢測傳感器等進行改造，圖4所示為改造后氣缸現(xiàn)場圖。

5數(shù)控機床自動開關(guān)門PMC程序加載和效果驗證

將自動開關(guān)門PMC程序通過存儲卡讀取到數(shù)控系統(tǒng)后，再將 PMC 與二位五通電磁換向閥、氣動系統(tǒng)各氣動元件等按要求連接好后，重新啟動FANUC Oi TF數(shù)控系統(tǒng)，在自動方式下運行含有 M93、M94 的數(shù)控加工程序，運行到數(shù)控程序的M94指令時，氣缸活塞右移，帶動防護門向右移動，當防護門上的鑰匙插入安全門開關(guān)，觸發(fā)相應(yīng)觸點，此時防護門完全關(guān)閉，機床開始進行加工。同樣，氣缸活塞左移，帶動防護門向左移動，當防護門上的金屬片觸發(fā)行程開關(guān)的信號，防護門開啟到最大，完成自動開關(guān)門的完整動作。經(jīng)過48小時持續(xù)運行，防護門自動開關(guān)始終正常、運行安全平穩(wěn)，達到了本次設(shè)計要求。

6結(jié)語

本文對采用FANUC Oi TF數(shù)控系統(tǒng)的CK7516A數(shù)控車機床，進行自動開關(guān)門改造，改造后的機床實現(xiàn)了自動開關(guān)門的設(shè)計要求，且投入成本較低，操作方便，運行安全穩(wěn)定。數(shù)控機床改造后，通過數(shù)控系統(tǒng)M功能代碼控制機床門的開與關(guān)，并通過反饋信號，檢測開關(guān)門動作是否正常，通過機床自動化改造后可以將開關(guān)門信號通過工業(yè)以太網(wǎng)向其它設(shè)備進行數(shù)據(jù)發(fā)送，或者將機床自動開關(guān)門應(yīng)用于智能制造單元，對中小型制造企業(yè)實施制造裝備的智能化升級改造具有一定的借鑒意義。

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