VMC3016L加工中心急停与安全保护功能的设计

王 勇

WANG Yong

（苏州工业职业技术学院 机电设备维护中心，苏州 215104）

0 引言

在数控机床使用过程中，会遇到一些突发情况，例如机械运动部分超过运动极限位置时、工人看到主轴刀具与夹具快要撞到时，此时机床可以立刻进入紧急急停状态，切断所有进给电机和主电机的动力电以保护机床[1]；当机床正在自动加工时，如果防护门被打开了，所有的进给轴应该立即锁住，停止移动，以免出现人身伤害事故；正常加工时，如果刀库不在最左面，严禁Z轴移动，否则会将刀库或主轴撞坏。因此数控机床的急停与安全保护功能的设计至关重要，本文详细介绍VMC3016L加工中心急停与过行程硬件控制电路设计；行程与急停报警控制、CNC进入急停时G8.4信号的控制、轴互锁控制、Z轴互锁控制、进给暂停控制的PMC梯形图设计。

1 急停硬件电路设计

如图1所示，限位控制是数控机床的一个基本安全功能，由于丝杆的行程有限，数控车床各轴运行是有安全运行区域的，一旦出了此安全区域，工作台运动到极限位置，导致“撞车”事故，将丝杆螺母或工作台撞坏[2]，为了限制各轴在安全区域内运行，在工作台上安装了两个行程限位开关，以限定轴移动的正负方向行程。

图1 轴正负方向行程限位示意图

图2 急停按钮

如图2所示，为急停按钮，当数控机床操作人员或维修人员认为机床发生紧急情况时，为了保护机床或人身安全，迅速拍下此急停控制按钮，此时数控机床上的电源放大模块与伺服模块的输入电压瞬时切断，各部分的电机就无法动作，机床的所有运动部件被锁住，机床各移动轴停止移动。一旦危险或故障排除后，顺时针旋转急停按钮，使其复位，机床进入准备运行状态。

图3 急停超程硬件电路原理图

如图3急停超程硬件电路原理图所示， X、Y、Z三个轴正负方向的行程限位开关信号（SQX+、SQX-、SQY+、SQY-、SQZ+、SQZ）常闭触点互相串联，控制超程继电器KA2，为数控系统提供硬限位超程信号，在屏幕上出现相应的报警信息，以警示操作者。当任一坐标轴超程产生超程和急停报警之后，需要按住超程释放按钮让超程继电器KA2与急停继电器KA1得电，急停报警消除，然后移动轴，使其往超程的反方向移动，当行程限位挡块离开行程开关后就可以松掉超程释放按钮。六个行程限位开关信号再与急停按钮的常闭触点信号串联，控制急停继电器KA1。电源模块PSM（Power Supply Module）的CX4端子接急停继电器KA1信号的常开触点[3]，作为电源模块PSM的急停输入信号，作为电源模块工作与否的一个条件。在FANUC 0I数控系统中，I/O LINK子单元以开关量I/O单元为主，处理一些输入输出开关量信号，这里将急停继电器的一个信号KA1常开触点接到CB105接口上的A08脚，信号地址为X8.4，这个信号必须接到CB105接口上的A08脚，因为急停信号的输入地址X8.4是FANUC系统自定义的，不充许用户修改[5]，由数控系统CNC直接读取这个急停信号X8.4，当此信号为0时，数控系统立即进入急停状态。将超程继电器的信号KA2常开触点接到CB105接口上的B08脚，信号地址为X8.5，供系统过行程报警用。

正常情况下（没有急停状况或超程），此时KA1与KA2继电器得电吸合，电源模块PSM的CX4接头得到KA1闭合信号，进入正常工作状态，为后面的伺服驱动器提供直流母线电压300V，I/O LINK上CB105接口上的X8.4信号得到24V，状态变为1，无系统急停报警；同样，X8.5信号状态也为1，无超程报警，机床此时进入正常运行状态。

2 急停安全保护功能PMC程序设计与分析

2.1 过行程与急停报警控制

当X、Y或Z三坐标方向过行程，超程继电器KA2失电，KA2常开触点断开，X8.5不能得到24V，使得X8.5=0，如图4所示，此时输出A0.0=1，数控系统屏幕上显示EX1000 OVER TRAVEL（过行程报警）（对应信息显示位：A0.0）。当工作台移出超程区域，超程继电器KA2得电，使得X8.5=1，此时输出A0.0=0，无超程报警。

图4 过行程与急停报警控制梯形图

当拍下急停按钮时，急停控制继电器KA1失电，其常开触点断开，X8.4不能得到24V，使得X8.4=0，如图4所示，此时输出A0.3=1，数控系统屏幕上显示EX1003 EMERGENCY STOP （急停报警EMG，如图5所示）(对应信息显示位：A0.3)[4]。

图5 FANUC系统急停报警画面

2.2 CNC进入急停G8.4信号的控制

FANUC 0I系统的PMC→CNC信号（G信号）、CNC→PMC信号（F信号）由CNC系统软件定义其地址的，是固定的，用户只可使用不可更改[5]。G8.4是PMC向CNC发出的急停输出信号，一旦G8.4=0，CNC立刻进入急停状态。控制要求：过行程、急停、主轴异常、气源压力低、冷却泵电机过载时，使G8.4=0。

如图6所示，当过行程报警A0.0=1，或主轴异常报警A0.l=1，或气源压力低报警A0.2=1，或急停报警A0.3=1，或主轴冷却泵电机过载报警Al.4=1时，输出R515.7=1（报警寄存器，控制急停）。

图6 G8.4信号的控制梯形图

五个报警信号A0.0、A0.l、A0.2、A0.3、A1.4采取并联输入，它们都使用常开触点。即当其中任何一个报警信号输入为1时，R515.7输出1，使得G8.4变为0，（在图中可看到G8.4的标志是*ESP，FANUC数控系统规定：带*号的标志为零时该信号有效）[5]，此时系统进入急停；G71.1是第一串行主轴急停信号*ESPA，因为本机床采用的是FANUC串行主轴，串行主轴正常工作的前提条件是G71.1为1，为0时处于急停状态，串行主轴伺服驱动器禁止输出，此时主轴停转，也就是当出现过行程、外部急停、主轴异常、气源压力低、冷却泵电机过载时，使G71.1=0，串行主轴进入急停状态，主轴立刻停转。

2.3 轴互锁控制

当进入急停状态或过行程或机床门打开时，使机床各轴锁住，禁止其移动，以保护机床。控制梯形图如图7所示，G8.0(*IT)是所有轴互锁信号（为0时各轴伺服关断）、G130.0(*IT1)是X轴互锁信号（为0时X轴伺服关断）、G130.1(*IT2)是Y轴互锁信号（为0时Y轴伺服关断）、G7.5(*FLWU)是伺服关断、急停或伺服报警期间的位置跟踪信号（为0时支持跟踪）。

图7 轴互锁控制梯形图

当CNC不在急停状态即G8.4=1时，此时输出R515.0=1（报警解除），同时机床保护门关闭信号R524.3为1时，G8.0、G130.0、G130.1三个信号为1，伺服轴可以移动，否则G8.0、G130.0、G130.1三个信号为0，伺服轴关断[6]。

2.4 Z轴互锁控制

因为立式加工中心的Z轴比较特殊，此台加工中心是斗笠式刀库换刀，换刀时，刀库要从最左面移到最右面（靠近主轴侧，而主轴是由Z轴带动上下移动的），刀库在插刀和还刀时，严禁Z轴移动，否则会将刀库或主轴撞坏[7]，这是一个很重要的安全保护功能，所以这里设计在执行M6换刀指令时、或是刀库在最右侧时，Z轴要锁住，不能移动，如图8中Z轴互锁控制梯形图所示，当执行M6换刀指令时，其标志位R622.0=1，梯形图中的常闭触点断开，或者刀库在最右侧，其标志位R528.5=1，梯形图中的常闭触点断开，此时若有一个条件满足，则输出R511.5=0（Z轴锁定标志）， G130.2(*IT3)是Z轴互锁信号为0， Z轴伺服关断，无法移动。

图8 Z轴互锁控制梯形图

2.5 进给暂停控制

图9 进给暂停控制梯形图

G8.5(*SP)是进给暂停信号（为0时各轴进给运动暂停）[8]，正常加工时，必须使G8.5为1，以下是循环暂停控制过程，如图9所示，循环暂停按键SW3，信号地址是X0.1，X0.1的信号线是接到此按键的常闭触点上的，正常加工时，此触点是闭合的，只有按下循环暂停按键后，此触点才断开，X0.1=0，使G8.5=0，这样程序就停止运行，并且没产生A45、A23报警R518.2=1、R518.1=1，并且准备好信号R100.1=1，M01、MOO指令没有执行R530.3=O、R554.3=0，并且没有产生冷却电机过载报警A2.4=0，并且在执行主轴速度S代码时没产生刀具没有抓紧报警A4.6=0时[9]，输出G8.5=1（进给不暂停）。

3 结束语

为了为数控机床营造一个安全运行环境，更重要是数控机床自身要有各种安全保护功能，通过自身的安全保护功能PMC程序监控外围的一些不安全因素，及时处理，以免出现严重的问题，例如润滑油没有了，不能只简单的出现润滑油位低报警，还要使程序进入暂停状态，这样是为了保护进给机械结构因缺油而受损。实践证明，采用上述急停、过行程和安全保护功能设计的VMC3016L的加工中心安全故障极少，其他故障率也较低，更没有出现撞机导致损坏机床机械结构的事故。

[1]朱仕学.数控机床系统故障诊断与维修[M].北京：清华大学出版社,2007.

[2]王勇.数控机床伺服进给系统典型故障分析及维修[J].机床与液压,2013,41(14)：157-159.

[3]刘江,卢鹏程.FANUC数控系统PMC编程[M].北京：高等教育出版社,2011.

[4]王勇.在数控机床故障诊断中应用智能诊断融合技术[J].煤炭技术, 2013,32(7)：180-181

[5]北京发那科机电有限公司.FANUC Series 0 Mate-MODEL D连接说明书（功能篇）[G].

[6]北京发那科机电有限公司.BEIJING—FANUC PMC PA1/SA1/SA3梯形图语言编程说明书[G].

[7]王侃,李占勇.PMC在数控机床故障诊断维修中的应用[J].机床与液压,2010,38(24)：104-106.

[8]王凤良.数控机床PLC模块的故障诊断及排除方法[J].制造业自动化,2012,34(10)：53-55.

[9]韩全立.PLC在数控机床故障诊断中的应用[J].制造业自动化,2010,32(8)：165-166.