數控機床自動開關門改造研究與實踐

王杰

摘要：數控機床已經逐漸進入智能化發展進程，更多智能化數控機床漸漸產生，使生產效率和精細程度得到了提升。本文以配置FANUC Oi TF系統的數控車床防護門的自動開關改造為例，闡述了CNC系統M指令執行過程和氣動系統運行過程，并設計出數控機床防護門自動開關的PMC程序和氣動系統，實現了防護門自動開關的改造，為數控機床的智能化改造提供了一定的參考。

關鍵詞：數控機床;自動化;智能化改造

數控機床是現階段使用比較廣泛的機械設備， 其有效的提升了機械產品的生產質量和效率。然而根據現代制造業發展需求，其中數控智能化的改造是其中的重要環節，不僅滿足了數控機床和工業機器人的智能控制，而且大大節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顯得尤為迫切。通過數控機床自動開關門的改造，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總體研制方案設計

數控機床防護門，大多是靠人工進行開關，對其進行開關門的自動化改造是多數中小型制造企業實現零件加工“去人化”的關鍵一步。此前已有利用單片機進行控制，實現機床防護門的自動開關，但開發周期長且復雜，運行不穩定，也不便于后期與工業機器人、PLC等通訊進行二次開發建成智能生產單元，或直接布局到智能生產線中。

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

根據圖1自動門工作流程圖，本文利用數控機床 PMC 可自定義 M 代碼指令的功能，自定義防護門開關的 M 代碼 為M93/M94，令M93 是防護門開指令，令M94是防護門關指令。編寫零件數控加工程序時，在加工程序開端部分寫入 M93 指令，在程序結束部分寫入 M94 指令，可以確保防護門的開關按照要求及設定的開關順序執行。防護門開關的執行機構采用氣動系統實現，用定制的一個雙作用氣缸固定于數控機床的外殼上，通過螺栓將氣缸活塞與防護門聯接，雙作用氣缸活塞的運動方向則由氣動電磁換向閥控制，當數控系統執行零件加工程序到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，再結合相應的行程開關信號，實現防護門的自動開關[1]。通過自定義防護門開關 M 指令、PMC 程序、氣動系統等建立起的聯系，可達到本設計的要求。

2控制系統運行機制分析

2.1 數控機床 M 指令執行過程的分析

一臺數控機床是由 CNC 系統、PMC 和機床三者組成，其中 PMC 作為數控機床的信息交換中心起著連接 CNC 系統和機床的作用。當 CNC 系統運行零件加工程序執行到 M 代碼指令時，CNC 系統把 M 指令以其對應的二進代碼形式存儲在 PMC 的 M 代碼存儲器中，經過延遲固定時間后，再向 PMC 發出 M 選通信號 MF 的 F 指令。當PMC 接收到 CNC 系統向其發出的 M 選通信號 MF的 F 指令后，會根據 M 代碼存儲器中的二進代碼內容設置對應的 M 指令譯碼成功，并向機床輸出控制信號，使機床相應的強電控制線路動作，實現機床電器元件得電或失電，完成執行機構的動作。在 M 指令執行結束后，PMC 將執行一致性檢測指令，檢測所有 M 指令是否都滿足執行結束條件。當所有 M 指令都滿足結束條件和 M 指令選通指令有效時，PMC 向CNC 系統發出結束 FIN 信號 G 指令。在接收到 PMC發出的 G 指令后，CNC 系統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 指令執行完畢[1]。

2.2 氣動系統執行過程分析

由于氣缸安裝簡單，使用方便，相對之下輸出力較大，使用環境要求低。根據現場情況，防護門開關的執行機構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防護門的開關。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，防護門關閉。實現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，使氣缸活塞實現定向伸縮動作而達到防護門開關門的目的。

3防護門自動開關PMC程序設計

根據總體方案設計要求，結合數控機床 M 指令執行過程的分析，依據 CNC 系統 M 指令的執行過程和氣動系統運行過程分析，設計出數控機床在自動運行方式下的防護門自動開關 PMC 控制程序（節選），如圖2 所示。

4防護門自動開關氣動系統設計

防護門開啟和關閉采用一標準氣缸執行，氣缸參數如下表2。

防護門開啟和關閉采用一標準氣缸執行，將氣缸用螺栓固定于數控機床的固定防護罩上，氣缸活塞與防護門用螺栓聯接。在氣動回路中，增加了一個氣動三聯件，起到去除空氣中的灰塵和雜質、將氣體穩壓、使潤滑油霧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的氣路控制原理。采用氣動開關、配套門開檢測、門關檢測傳感器等進行改造，圖4所示為改造后氣缸現場圖。

5數控機床自動開關門PMC程序加載和效果驗證

將自動開關門PMC程序通過存儲卡讀取到數控系統后，再將 PMC 與二位五通電磁換向閥、氣動系統各氣動元件等按要求連接好后，重新啟動FANUC Oi TF數控系統，在自動方式下運行含有 M93、M94 的數控加工程序，運行到數控程序的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，觸發相應觸點，此時防護門完全關閉，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行程開關的信號，防護門開啟到最大，完成自動開關門的完整動作。經過48小時持續運行，防護門自動開關始終正常、運行安全平穩，達到了本次設計要求。

6結語

本文對采用FANUC Oi TF數控系統的CK7516A數控車機床，進行自動開關門改造，改造后的機床實現了自動開關門的設計要求，且投入成本較低，操作方便，運行安全穩定。數控機床改造后，通過數控系統M功能代碼控制機床門的開與關，并通過反饋信號，檢測開關門動作是否正常，通過機床自動化改造后可以將開關門信號通過工業以太網向其它設備進行數據發送，或者將機床自動開關門應用于智能制造單元，對中小型制造企業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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