抱閘控制單元中冗余設計的應用

蔡美富

（陜西工業職業技術學院 校辦工廠(咸陽機床廠)，咸陽 712000）

0 引言

隨著現代工業的發展、分工的趨細和人類智能的提高，機床數控系統的控制功能愈發完善，使得機床的設計、制造就變得更為簡單，比如機床垂直軸抱閘的設計，以前為實現這一功能，在機械上必須有一套抱閘單元機構再加上相應的電氣控制；而現在我們只要一臺帶抱閘的伺服電機，結合NC系統對應的控制功能，附加適當的外圍控制電路即可達到目的。

1 控制原理

不同數控系統廠家的實現方法不同，比如：SIEMESN802DSL及以上檔次控制系統，機床設計者不需要對機械和電氣進行任何設計，NC對垂直軸抱閘單元的控制采用閉環控制，伺服放大器直接為抱閘線圈提供電源，伺服放大器與NC進行通信，NC根據相應軸位置環的狀態來控制是否給抱閘線圈提供電源，而且可以在伺服放大器中進行更為詳細的參數設置；而SIEMESN802DSL以下檔次及802DSL以前的802D系統，FAGOR系統是通過NC與PLC進行通信，通過PLC對相應軸的位置環信號進行周期掃描，再根據位置環信號的狀態來控制抱閘線圈電源的通斷，電源采用外部供電。所以設計者要根據實際情況進行相應的設計，否則可能會出現重大機械事故。

2 應用實例

下面以“咸陽機床廠”2008年以前生產的“數控閥芯槽及倒角磨床”為例就后者的抱閘電路設計進行相應的探討。

2.1 硬件及說明

機床總體布局簡圖如圖1所示：機床共配置五軸，軸名稱分別定義為X、Y、Z、V、A，其中Y、V為垂直軸。系統選用SIEMENS802D。

圖1 機床總體布局簡圖

2.2 控制原理及外圍控制電路說明

2.2.1 NC控制原理

NC給每根軸都提供軸的位置環狀態值，對應Y、V軸具體狀態值地址：V39010001.5，V39030001.5，PLC對以上地址的狀態值無條件地進行周期掃描， 狀態值為“1”時正常，接通抱閘電源；狀態值為“0”不正常，斷掉抱閘電源（抱閘機構單元得電松開，失電夾緊）。

2.2.2 PLC邏輯電路

LD SM0.0

LD V39010001.5

O V39030001.5

ALD

= Q1.3

2.3 外圍控制電路（改進前）

圖2 外圍控制電路圖（改進前）

2.3.1 電路圖說明

Q1.3：PLC輸出點, KA13、KA31：DC24V繼電器,-SB0-2急停按鈕,當相應軸位置環無效時，Q1.3狀態值為“0”,KA13失電,-KA13-1斷開Y、V抱閘單元機構失電，抱閘單元機構抱軸；軸位置環有效時Q1.3狀態值“1”,KA13得電Y、V抱閘單元機構通電，抱閘單元機構松開。

2.3.2 設計缺陷

以上設計的缺陷是忽略了冗余設計，設計中我們一般不采用冗余設計，但在某些安全要求特別嚴格或其它特定情況下必須采用冗余設計，這樣可以避免一些意料之外的故障，往往這類故障發生的概率少，但一旦發生就是致命的。

“數控閥芯槽及倒角磨床”是咸陽機床廠2006年開發的新品，前5臺其中的4臺至今一直運行正常，但有一臺（珠海用戶）2010年8月至10月份共發生兩次Y、V軸滑塊機構莫明其妙的同時往下掉，將砂輪砸傷，并嚴重損壞機床精度。起初我們一直找不到原因，我們與NC系統提供廠家一起排除了系統的原因。經過多次故障摸擬，發現KA13動作有時不可靠。我們可以更換KA13，但不能徹底解決問題。經過縝密思考最后決定更改外圍控制電路。

圖3 外圍電路控制圖（改進后）

2.3.3 改進后的外圍控制電路及說明

電路說明：在PLC輸出點上并聯一個冗余的DC24V中間繼電器KA100，并將一常開觸點串聯在給抱閘提供電源的線路上，這樣改進后：Y、V軸的位置環狀態都能在KA13,KA100得到正確的反應，機床控制系統能及時地做出正確的反應；而且KA13，KA100同時發時同樣故障的概率在理論上為零。

3 結論

從以上實例來看，設計機床的抱閘控制單元時應根據NC系統的具體控制功能加上相應的冗余設計，這樣機床的安全性更高，發生意外安全事故的概率更少。

設計者如果選用其它的NC系統，可以參考以上實例進行相應的設計。

[1] 簡明調試手冊(SINUMERIK 802D solutionline T/M)[Z].SIEMENS(CHINA)LT.D.

[2] PLC子程序說明[Z].SIEMENS(CHINA)LT.D.

[3] SINUMERIK 802DSL 功能說明書[Z].SIEMENS(CHINA)LT.D.

[4] CNC8055/CNC8055I 安裝手冊[Z].(M&T)Fagor Automation,S.Coop.