精密镗床安全控制逻辑优化与实现

孔繁霁，王富强，刘本刚，2

(1.沈阳飞机工业(集团)有限公司，辽宁 沈阳 110034;2.中国科学院大学，北京 100049)

0 引言

长期以来，由于某型精密镗床所加工的零件尺寸比较小，在机床加工过程中若遇到紧急制动时因为有足够的空间使机床在安全区域内停车，从而能够避免机床与零件碰撞。但随着航空结构件趋向大型化和整体化，在大型钛合金框镗孔时多次发生机床移动部分与钛合金整体框类零件非常接近的情况，严重危及安全生产。由于该钛合金框镗孔工序接近零件完工，一旦发生异常不但造成巨大损失，甚至会发生其他安全意外。因此，迫切需要实现基于安全策略的控制逻辑优化，以提高精密镗床加工过程的安全性和可靠性。

1 精密镗床存在的问题

通过对精密镗床原控制逻辑分析发现，触发急停信号时机床通过延时切断机床驱动总电源，从而能使快速进给轴停止运动。具体而言，在卧式精密镗床镗孔加工过程中，若遇到紧急情况，操作人员触发急停开关时，机床主轴轴向快速进给轴(Z轴)会延时一定时间之后再切断机床驱动总电源，这意味着进给轴仍有一段时间的电机驱动和因惯性产生的继续自由运动，而且该过程完全处于失控状态，这对本身没有制动能力的常规精密镗床而言，极易发生重大生产事故，存在巨大潜在危险。同时，该设备由于电气老化还存在诸多其他问题，如PLC控制接触器线圈电源断开后接触器触点不动作，导致无法及时切断驱动电机电源；操作面板按钮松开后不能及时回弹导致控制线路延时导通或断路等问题。

2 精密镗床运动轴安全控制策略及逻辑优化

基于镗床存在的问题及对原控制逻辑分析，发现导致镗床发生上述问题的主要原因是机床执行紧急制动指令后仍会运动一段距离，这是由于驱动电机电源延时切断和进给轴自由刹车两个阶段产生的运动累计。针对电源延时切断可以从控制系统部分对控制逻辑优化，使机床接收到紧急制动指令后立即切断电机控制接触器线圈电源，还可以根据需要增加外部抱闸来解决电源切断后轴的自由运动问题。

同时，针对实际生产中镗床偶尔出现因线路器件老化未被发现，导致无法及时切断驱动电机电源的问题，除增加安全逻辑设计和外围冗余硬件控制电路，以防在切断接触器线圈电源而触点仍未脱扣使驱动电机继续运行的危险外，还设计了两级安全控制策略。本文在原控制逻辑优化基础上提出了基于安全防护的轴运动控制策略，如图1所示。

图1 基于安全防护的轴运动控制策略

在上述控制逻辑下，若任意时刻触发急停信号，控制系统会立刻将控制轴电机电源的接触器线圈电源断开(PLC对应的驱动电机接触器线圈输出IO状态应为0)；若在0.5 s内未监测到该接触器触点松开信号(PLC对应的接触器辅助常开触点输入IO状态应为1)，控制系统会立即将驱动电源总接触器线圈电源断开(PLC对应的总接触器线圈输出IO状态应为0)，同时发出驱动电机接触器硬件异常报警，此时控制系统若监测到总接触器触点断开输入信号(PLC对应的总接触器辅助常开触点输入IO状态应为1)，则执行抱闸动作使轴抱死(此时PLC对应的抱闸输出IO状态为1)，否则控制系统发出最高级报警(总接触器硬件故障报警)，提示操作人员立即手动关闭机床总电源开关；若电机电源接触器正常动作(断开)，则会直接执行抱闸动作，此时跳过执行总接触器控制流程。控制系统在抱闸动作5 s后自动复位，打开轴抱闸。针对上述报警，待硬件修复后系统会自动复位报警消息。

3 PLC调试与实现

该精密镗床PLC控制器属于早已停产设备，缺乏相关资料和通信工具，因此实际实施控制逻辑优化中需要解决控制系统通信、接口、制作编程电缆及调试等诸多现场问题。

经查阅资料发现，富士NB系列PLC的通信接口标准为RS485/422,采用8针RJ45水晶头插座，上位机与其通信时需要进行通信标准的转换，本文采用RS422/485转USB模式。按照PLC通信接口引脚定义(如表1所示)和转换器模块引脚说明，使用“USB转RS422转换器”和RJ45插头、网线制作了编程电缆。经测试后可以与该PLC正常通信，完成了程序上载、下传和调试。具体串口通信配置参数如表2所示。

表1 富士PLC通信总线接口(水晶头)引脚及定义

表2 串口通信配置

针对镗床偶尔出现因线路器件老化未及时发现，导致驱动电机电源无法切断的问题，除增加上述安全控制逻辑外，同时将操作面板部分按键的检测信号由高低电平方式修改为上升沿/下降沿检测方式，防止按键由于老化按下后未能及时恢复导致触发信号异常进而使机床误动作，严重影响生产安全，从而提高了该镗床的操作和运行安全性。

4 结语

本文在分析精密镗床原控制系统存在的问题基础上，针对使用过程中存在的制动延时和硬电路故障频发问题，解决了PLC总线通信和原PLC控制逻辑的优化等问题，并通过增加冗余接触器和改变触发信号检测方式，提高了镗床运行和操作的安全性。实际应用表明，系统升级后该精密镗床完全实现了紧急停车及安全防护功能，如触发“急停”信号时，控制系统会立即切断快速进给轴驱动电机电源，与此同时进给轴由于外部抱闸动作实现紧急停车功能，若出现异常控制系统会迅速通过控制总接触器切断总驱动电源，实现了两级安全防护策略，完全解决了原控制系统存在的问题，满足了大型整体结构件的安全加工需求。