抱闸控制单元中冗余设计的应用

蔡美富

（陕西工业职业技术学院 校办工厂(咸阳机床厂)，咸阳 712000）

0 引言

随着现代工业的发展、分工的趋细和人类智能的提高，机床数控系统的控制功能愈发完善，使得机床的设计、制造就变得更为简单，比如机床垂直轴抱闸的设计，以前为实现这一功能，在机械上必须有一套抱闸单元机构再加上相应的电气控制；而现在我们只要一台带抱闸的伺服电机，结合NC系统对应的控制功能，附加适当的外围控制电路即可达到目的。

1 控制原理

不同数控系统厂家的实现方法不同，比如：SIEMESN802DSL及以上档次控制系统，机床设计者不需要对机械和电气进行任何设计，NC对垂直轴抱闸单元的控制采用闭环控制，伺服放大器直接为抱闸线圈提供电源，伺服放大器与NC进行通信，NC根据相应轴位置环的状态来控制是否给抱闸线圈提供电源，而且可以在伺服放大器中进行更为详细的参数设置；而SIEMESN802DSL以下档次及802DSL以前的802D系统，FAGOR系统是通过NC与PLC进行通信，通过PLC对相应轴的位置环信号进行周期扫描，再根据位置环信号的状态来控制抱闸线圈电源的通断，电源采用外部供电。所以设计者要根据实际情况进行相应的设计，否则可能会出现重大机械事故。

2 应用实例

下面以“咸阳机床厂”2008年以前生产的“数控阀芯槽及倒角磨床”为例就后者的抱闸电路设计进行相应的探讨。

2.1 硬件及说明

机床总体布局简图如图1所示：机床共配置五轴，轴名称分别定义为X、Y、Z、V、A，其中Y、V为垂直轴。系统选用SIEMENS802D。

图1 机床总体布局简图

2.2 控制原理及外围控制电路说明

2.2.1 NC控制原理

NC给每根轴都提供轴的位置环状态值，对应Y、V轴具体状态值地址：V39010001.5，V39030001.5，PLC对以上地址的状态值无条件地进行周期扫描， 状态值为“1”时正常，接通抱闸电源；状态值为“0”不正常，断掉抱闸电源（抱闸机构单元得电松开，失电夹紧）。

2.2.2 PLC逻辑电路

LD SM0.0

LD V39010001.5

O V39030001.5

ALD

= Q1.3

2.3 外围控制电路（改进前）

图2 外围控制电路图（改进前）

2.3.1 电路图说明

Q1.3：PLC输出点, KA13、KA31：DC24V继电器,-SB0-2急停按钮,当相应轴位置环无效时，Q1.3状态值为“0”,KA13失电,-KA13-1断开Y、V抱闸单元机构失电，抱闸单元机构抱轴；轴位置环有效时Q1.3状态值“1”,KA13得电Y、V抱闸单元机构通电，抱闸单元机构松开。

2.3.2 设计缺陷

以上设计的缺陷是忽略了冗余设计，设计中我们一般不采用冗余设计，但在某些安全要求特别严格或其它特定情况下必须采用冗余设计，这样可以避免一些意料之外的故障，往往这类故障发生的概率少，但一旦发生就是致命的。

“数控阀芯槽及倒角磨床”是咸阳机床厂2006年开发的新品，前5台其中的4台至今一直运行正常，但有一台（珠海用户）2010年8月至10月份共发生两次Y、V轴滑块机构莫明其妙的同时往下掉，将砂轮砸伤，并严重损坏机床精度。起初我们一直找不到原因，我们与NC系统提供厂家一起排除了系统的原因。经过多次故障摸拟，发现KA13动作有时不可靠。我们可以更换KA13，但不能彻底解决问题。经过缜密思考最后决定更改外围控制电路。

图3 外围电路控制图（改进后）

2.3.3 改进后的外围控制电路及说明

电路说明：在PLC输出点上并联一个冗余的DC24V中间继电器KA100，并将一常开触点串联在给抱闸提供电源的线路上，这样改进后：Y、V轴的位置环状态都能在KA13,KA100得到正确的反应，机床控制系统能及时地做出正确的反应；而且KA13，KA100同时发时同样故障的概率在理论上为零。

3 结论

从以上实例来看，设计机床的抱闸控制单元时应根据NC系统的具体控制功能加上相应的冗余设计，这样机床的安全性更高，发生意外安全事故的概率更少。

设计者如果选用其它的NC系统，可以参考以上实例进行相应的设计。

[1] 简明调试手册(SINUMERIK 802D solutionline T/M)[Z].SIEMENS(CHINA)LT.D.

[2] PLC子程序说明[Z].SIEMENS(CHINA)LT.D.

[3] SINUMERIK 802DSL 功能说明书[Z].SIEMENS(CHINA)LT.D.

[4] CNC8055/CNC8055I 安装手册[Z].(M&T)Fagor Automation,S.Coop.