一種數控加工中心智能上料安全門的改造

肖 鑫，黎 賢，彭國繼

（上汽通用五菱汽車股份有限公司寶駿基地發動機工廠，廣西 柳州545007）

0 引言

傳統的加工中心上料門以及安全防護門結構簡單控制回路單一，一般是利用普通繼電器對被控電路現“通”“斷”控制的執行機構、行程開關反饋位置、PLC執行程序來實現上料門的打開以及關閉。這種傳統的防護門、上料門控制方式存在著大量安全隱患。現代的上料門、安全防護門控制回路一般會大量運用安全繼電器來對控制回路進行控制，一般安全繼電器會有雙通道來判斷當前需要監控的安全機構的狀態并給出安全信號給機床系統進行處理從而更加安全。在未來無人工廠中安全回路顯得更為重要，不僅僅需要安全繼電器，還需要一些輔助性的安全電氣元件如光幕、光柵、視覺傳感器、視覺相機來共同構成整個設備的安全防護門、上料門的控制回路，以確保設備與設備、人與設備之間的安全保護。數控加工中心的上料門、安全防護門都是設備自身需要監控的安全類機構，那么進行進一步升級改造數控加工中心上的安全防護門、上料門的控制回路，讓數控加工中心更加安全、更加智能、更加穩定的電路設計顯得尤為重要。

1 總體研制方案設計

本著“以人為本，安全生產”的原則，數控加工中心的上料門、安全防護門能夠防止操作人員在接近加工區域時，被快速飛濺的鐵屑傷到以及避免其他的不安全因素。將數控加工中心與操作者隔離開，上料門自動控制無需人員操作，并且留有高強度透明材料制成的觀察窗。

基于這種安全性的考慮對數控加工中心防護門、上料門的控制回路系統設計如圖1，綜合利用安全激光掃描儀、安士能門鎖、安全繼電器、行程開關、急停按鈕設計出智能安全檢測回路，將所有安全信號發送給PLC集中處理判斷是否開門或者關門，通過新增激光安全掃描儀、安全繼電器、安仕能門鎖等目前國際上先進的安全類元件來進一步提升數控技工中心的安全性能。其中安全激光掃描儀扮演著重要角色，相當于整臺設備的眼睛把整個上料門前面的安全情況反饋給PLC處理。安士能門鎖同樣扮演重要角色，把側面觀察安全門的當前狀態反饋給PLC處理。通過以上安全器件的信號反饋再通過PLC的信號處理達到智能控制上料門、側面觀察安全門的目的。當有意外情況出現時智能安全監測回路將數控加工中心的主軸以及其他伺服驅動機構則必須停止運轉，同時停止數控加工程序執行。

圖1 系統構成方案圖

2 方案實施過程

2.1 電路硬件選擇

電路硬件主要包括安全激光掃描儀的電路設計、上料門驅動單元的電路設計、安全門鎖定電路設計以及急停電路等四個控制回路。光幕單元電路主要是針對數控加工中心上料門的自動控制時只能檢測操作人員是否在安全區域；上料門驅動單元主要是判斷打開關閉的條件以及上料門當時的狀態是否滿足其動作；安全門鎖定電路主要是判斷當前機床狀態是否安全，只有在整個機床處于安全且沒有急停信號觸發的前提下方可被打開。通過以上幾個電路的互相配合制約形成一種智能、安全的可靠上料安全門智能安的控制回路如圖2。

圖2 智能控制回路設計流程圖

2.2 智能控制回路的設計

急停控制回路如圖3是數控加工中心必備的安全保護措施之一，當數控加工機床處于緊急情況下時機床操作人員應在第一時間拍下急停，數控系統啟動急停處理程序，數控系統的CNC裝置顯示出“ESP”報警信息，數控系統伺服單元立即切斷電源，數控系統執行停止運動的指令，數控加工機床處于安全狀態。本次改造就是在數控系統的急停回路中串聯一個安全智能控制回路，操作人員應如遇突發情況拍下急停按鈕ESP線圈失電此時上料門無法關閉/打開及安全門無法打開，并停止機床上料門的一切動作防止造成人員傷害。

圖3 急停控制回路

安士智能門鎖的控制回路如圖4，在該回路中運用了安智能門鎖、皮爾茲安全繼電器PNOZ3X，通過運用安全繼電器“雙通道”進行判斷此時安全門的狀態更加安全可靠即使在出現電氣故障時安全功能也不會喪失。通過PONZ3X安全繼電器以及安智能門鎖反饋回路PNOZ1線圈給出當前安全門是否為安全狀態。

行程安全控制回路如圖5，上料門控制回路采用兩個行程開關判斷上料門的打開關閉的狀態，同時為安全可靠同時采用了一個PONZX9P的安全繼電器、兩個行程開關，從圖3可以看出上料門由安全繼電器雙通道“帶觸點檢測”當行程開關滿足S11/S12，S21/S22兩個通道接通，安全繼電器PLIZ的輔助觸點23/24接通，從而K2、K3線圈接通來給上料門動作提供必要條件。

圖4 安士能門鎖控制回路

圖5 行程安全控制回路

上料門驅動控制回路如圖4，上料門驅動控制回路采用一個激光掃描光幕（掃描范圍可根據實際工況用軟件任意調整）如圖6、7來智能監控上料門前操作人員是否處于安全位置來達成上料門開啟或關閉的條件。當激光掃描光幕感應到上料門前為安全狀態時，K4/K5兩個激光掃描光幕通道接通，同時激光掃描光幕8號接口斷開電源復位。當上料門需要關閉時K10關門線圈、K14抱閘線圈要通電需要滿足急停信號ESP為OK、激光掃描光幕檢測當前安全K4、K5通電、K6關門命令線圈使能、抱閘解除命令線圈使能。當上料門需要打開時只需要K7開門命令線圈、抱閘解除線圈同時接通即可無需判斷上料門區域是否有人。

圖6 激光掃描光幕掃描范圍調整圖

圖7 激光掃描光幕工作原理圖

圖8 上料門驅動控制回路

圖9 上料門、安全門智能控制改造樣圖

3 結束語

通過運用PLC安全信息采集，新增安全繼電器、安全激光掃描儀、安士能門鎖等國際上先進的安全類電氣元件對數控加工中心上料門進行智能、安全、自動化升級改造。運用數個安全繼電器組合互補彼此的異常缺陷，運用安全光幕智能判斷上料門前操作人員是否在安全范圍，給予機床操作人員和維護人員帶來更高的安全保障，減少技能人員的人身傷害，有效降低企業的安全運營風險，同時提高數控加工中心安全性、可靠性。