基于PLC的數(shù)控機床安全控制設(shè)計

謝升周

摘 要：本文結(jié)合數(shù)控機床PLC控制程序的設(shè)計原理，提出一種基于PLC的數(shù)控機床安全控制設(shè)計方案，并對其設(shè)計思路進行研究，并為相關(guān)實踐及研究提供參考。

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

數(shù)控機床作為加工制造行業(yè)生產(chǎn)的重要設(shè)備，與傳統(tǒng)機床加工相比，不僅進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，具有較高的自動化水平等，在機械制造行業(yè)發(fā)展中具有非常顯著的地位和作用。而數(shù)控機床安全控制系統(tǒng)是針對數(shù)控機床加工應(yīng)用中技術(shù)設(shè)計層面存在著不足，結(jié)合數(shù)控機床加工運行中容易出現(xiàn)的安全事故及問題設(shè)計的一種自動化控制與管理系統(tǒng)，對確保數(shù)控機床加工操作的安全性有著非常積極的作用和意義。下文將對基于PLC的數(shù)控機床安全控制設(shè)計進行分析。

1 數(shù)控機床的PLC控制原理分析

數(shù)控機床的加工操作控制方式主要包括以CNC系統(tǒng)利用實現(xiàn)的數(shù)字信息控制和以數(shù)控機床各裝置動作開關(guān)、傳感器以及控制按鈕等開關(guān)信號狀態(tài)為條件，通過相應(yīng)的邏輯順序?qū)Ω鏖_關(guān)動作及運行進行控制的兩種不同方式。其中，后一種通過開關(guān)量信號順序控制實現(xiàn)數(shù)控機床動作控制的方式中，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)控機床運行控制中應(yīng)用，不僅具備控制動作響應(yīng)快、精度高、可靠性突出等特征，并且其控制程序的設(shè)計能夠結(jié)合實際情況進行相應(yīng)的改進完善，同時與計算機連接接口設(shè)計形式，使其連接與維護都比較方便，在數(shù)控機床控制設(shè)計應(yīng)用中較為受歡迎。通常情況下，數(shù)控機床中設(shè)計應(yīng)用的PLC控制程序主要包含系統(tǒng)控制和用戶程序兩個部分，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中進行系統(tǒng)控制實現(xiàn)，該程序結(jié)構(gòu)在運行控制中不能由用戶進行直接存取或干預(yù)。此外，PLC控制程序中用戶程序部分，是用戶結(jié)合現(xiàn)場控制的需求，通過PLC程序語言進行設(shè)計的一種應(yīng)用程序，通過這種應(yīng)用程序能夠滿足用戶對現(xiàn)場的各種控制要求。利用PLC程序語言進行數(shù)控機床的用戶程序設(shè)計時，主要設(shè)計語言包含語句表、梯形圖以及功能塊圖等多種語言形式。需要注意的是，數(shù)控機床運行中，其執(zhí)行機構(gòu)的多數(shù)動是在PLC控制程序設(shè)計指令的控制下完成的，通過PLC控制程序不僅能夠進行數(shù)控機床運行中故障問題的快速檢測與維修處理，同時還可以通過PLC控制程序語言設(shè)計，添加相應(yīng)的數(shù)控機床執(zhí)行動作及功能，在數(shù)控機床控制應(yīng)用中效果及優(yōu)勢十分顯著。

2 基于PLC的數(shù)控機床安全控制設(shè)計分析

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

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

其次，結(jié)合上述機床啟動運行條件設(shè)置，在未滿足機床自動運行啟動條件的情況先，其循環(huán)啟動準備就緒指示燈即不會發(fā)出提示，這一情況下，通過循環(huán)啟動按鍵操作控制機床循環(huán)啟動運行就會導(dǎo)致機床發(fā)出故障報警信號，對機床加工操作人員發(fā)出提示，只有按照設(shè)計程序進行故障處理與恢復(fù)動態(tài)狀態(tài)的情況下，才能夠通過控制鍵操作使機床進入再次自動運行的工作狀態(tài)，同時控制程序根據(jù)機床運行狀態(tài)進行再次循環(huán)監(jiān)控管理。最后，在機床工件需要返修情況下，通過對相應(yīng)的程序設(shè)計進行執(zhí)行，按下返修控制鍵即可發(fā)出返修提示，進入工件返修加工狀態(tài)，而返修加工狀態(tài)下，設(shè)備運行不會受到循環(huán)啟動準備就緒控制條件限制，能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)啟動運行。如下圖1所示，即為根據(jù)上述設(shè)計方案及思路設(shè)計實現(xiàn)的基于PLC的數(shù)控機床安全控制程序。

3 結(jié)語

總之，進行基于PLC的數(shù)控機床安全控制設(shè)計研究，有利于促進在數(shù)控機床程序設(shè)計中的推廣應(yīng)用，對促進數(shù)控機床自動化水平提升以及確保數(shù)控機床加工操作安全等，都有十分積極的作用和意義。

參考文獻

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