孔繁霽，王富強(qiáng)，劉本剛，2

(1.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110034;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，由于某型精密鏜床所加工的零件尺寸比較小，在機(jī)床加工過(guò)程中若遇到緊急制動(dòng)時(shí)因?yàn)橛凶銐虻目臻g使機(jī)床在安全區(qū)域內(nèi)停車(chē)，從而能夠避免機(jī)床與零件碰撞。但隨著航空結(jié)構(gòu)件趨向大型化和整體化，在大型鈦合金框鏜孔時(shí)多次發(fā)生機(jī)床移動(dòng)部分與鈦合金整體框類(lèi)零件非常接近的情況，嚴(yán)重危及安全生產(chǎn)。由于該鈦合金框鏜孔工序接近零件完工，一旦發(fā)生異常不但造成巨大損失，甚至?xí)l(fā)生其他安全意外。因此，迫切需要實(shí)現(xiàn)基于安全策略的控制邏輯優(yōu)化，以提高精密鏜床加工過(guò)程的安全性和可靠性。

1 精密鏜床存在的問(wèn)題

通過(guò)對(duì)精密鏜床原控制邏輯分析發(fā)現(xiàn)，觸發(fā)急停信號(hào)時(shí)機(jī)床通過(guò)延時(shí)切斷機(jī)床驅(qū)動(dòng)總電源，從而能使快速進(jìn)給軸停止運(yùn)動(dòng)。具體而言，在臥式精密鏜床鏜孔加工過(guò)程中，若遇到緊急情況，操作人員觸發(fā)急停開(kāi)關(guān)時(shí)，機(jī)床主軸軸向快速進(jìn)給軸(Z軸)會(huì)延時(shí)一定時(shí)間之后再切斷機(jī)床驅(qū)動(dòng)總電源，這意味著進(jìn)給軸仍有一段時(shí)間的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和因慣性產(chǎn)生的繼續(xù)自由運(yùn)動(dòng)，而且該過(guò)程完全處于失控狀態(tài)，這對(duì)本身沒(méi)有制動(dòng)能力的常規(guī)精密鏜床而言，極易發(fā)生重大生產(chǎn)事故，存在巨大潛在危險(xiǎn)。同時(shí)，該設(shè)備由于電氣老化還存在諸多其他問(wèn)題，如PLC控制接觸器線圈電源斷開(kāi)后接觸器觸點(diǎn)不動(dòng)作，導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)切斷驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源；操作面板按鈕松開(kāi)后不能及時(shí)回彈導(dǎo)致控制線路延時(shí)導(dǎo)通或斷路等問(wèn)題。

2 精密鏜床運(yùn)動(dòng)軸安全控制策略及邏輯優(yōu)化

基于鏜床存在的問(wèn)題及對(duì)原控制邏輯分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致鏜床發(fā)生上述問(wèn)題的主要原因是機(jī)床執(zhí)行緊急制動(dòng)指令后仍會(huì)運(yùn)動(dòng)一段距離，這是由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源延時(shí)切斷和進(jìn)給軸自由剎車(chē)兩個(gè)階段產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)累計(jì)。針對(duì)電源延時(shí)切斷可以從控制系統(tǒng)部分對(duì)控制邏輯優(yōu)化，使機(jī)床接收到緊急制動(dòng)指令后立即切斷電機(jī)控制接觸器線圈電源，還可以根據(jù)需要增加外部抱閘來(lái)解決電源切斷后軸的自由運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。

同時(shí)，針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中鏜床偶爾出現(xiàn)因線路器件老化未被發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)切斷驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源的問(wèn)題，除增加安全邏輯設(shè)計(jì)和外圍冗余硬件控制電路，以防在切斷接觸器線圈電源而觸點(diǎn)仍未脫扣使驅(qū)動(dòng)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行的危險(xiǎn)外，還設(shè)計(jì)了兩級(jí)安全控制策略。本文在原控制邏輯優(yōu)化基礎(chǔ)上提出了基于安全防護(hù)的軸運(yùn)動(dòng)控制策略，如圖1所示。

圖1 基于安全防護(hù)的軸運(yùn)動(dòng)控制策略

在上述控制邏輯下，若任意時(shí)刻觸發(fā)急停信號(hào)，控制系統(tǒng)會(huì)立刻將控制軸電機(jī)電源的接觸器線圈電源斷開(kāi)(PLC對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)接觸器線圈輸出IO狀態(tài)應(yīng)為0)；若在0.5 s內(nèi)未監(jiān)測(cè)到該接觸器觸點(diǎn)松開(kāi)信號(hào)(PLC對(duì)應(yīng)的接觸器輔助常開(kāi)觸點(diǎn)輸入IO狀態(tài)應(yīng)為1)，控制系統(tǒng)會(huì)立即將驅(qū)動(dòng)電源總接觸器線圈電源斷開(kāi)(PLC對(duì)應(yīng)的總接觸器線圈輸出IO狀態(tài)應(yīng)為0)，同時(shí)發(fā)出驅(qū)動(dòng)電機(jī)接觸器硬件異常報(bào)警，此時(shí)控制系統(tǒng)若監(jiān)測(cè)到總接觸器觸點(diǎn)斷開(kāi)輸入信號(hào)(PLC對(duì)應(yīng)的總接觸器輔助常開(kāi)觸點(diǎn)輸入IO狀態(tài)應(yīng)為1)，則執(zhí)行抱閘動(dòng)作使軸抱死(此時(shí)PLC對(duì)應(yīng)的抱閘輸出IO狀態(tài)為1)，否則控制系統(tǒng)發(fā)出最高級(jí)報(bào)警(總接觸器硬件故障報(bào)警)，提示操作人員立即手動(dòng)關(guān)閉機(jī)床總電源開(kāi)關(guān)；若電機(jī)電源接觸器正常動(dòng)作(斷開(kāi))，則會(huì)直接執(zhí)行抱閘動(dòng)作，此時(shí)跳過(guò)執(zhí)行總接觸器控制流程。控制系統(tǒng)在抱閘動(dòng)作5 s后自動(dòng)復(fù)位，打開(kāi)軸抱閘。針對(duì)上述報(bào)警，待硬件修復(fù)后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)復(fù)位報(bào)警消息。

3 PLC調(diào)試與實(shí)現(xiàn)

該精密鏜床PLC控制器屬于早已停產(chǎn)設(shè)備，缺乏相關(guān)資料和通信工具，因此實(shí)際實(shí)施控制邏輯優(yōu)化中需要解決控制系統(tǒng)通信、接口、制作編程電纜及調(diào)試等諸多現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。

經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，富士NB系列PLC的通信接口標(biāo)準(zhǔn)為RS485/422,采用8針RJ45水晶頭插座，上位機(jī)與其通信時(shí)需要進(jìn)行通信標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，本文采用RS422/485轉(zhuǎn)USB模式。按照PLC通信接口引腳定義(如表1所示)和轉(zhuǎn)換器模塊引腳說(shuō)明，使用“USB轉(zhuǎn)RS422轉(zhuǎn)換器”和RJ45插頭、網(wǎng)線制作了編程電纜。經(jīng)測(cè)試后可以與該P(yáng)LC正常通信，完成了程序上載、下傳和調(diào)試。具體串口通信配置參數(shù)如表2所示。

表1 富士PLC通信總線接口(水晶頭)引腳及定義

表2 串口通信配置

針對(duì)鏜床偶爾出現(xiàn)因線路器件老化未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源無(wú)法切斷的問(wèn)題，除增加上述安全控制邏輯外，同時(shí)將操作面板部分按鍵的檢測(cè)信號(hào)由高低電平方式修改為上升沿/下降沿檢測(cè)方式，防止按鍵由于老化按下后未能及時(shí)恢復(fù)導(dǎo)致觸發(fā)信號(hào)異常進(jìn)而使機(jī)床誤動(dòng)作，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全，從而提高了該鏜床的操作和運(yùn)行安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在分析精密鏜床原控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題基礎(chǔ)上，針對(duì)使用過(guò)程中存在的制動(dòng)延時(shí)和硬電路故障頻發(fā)問(wèn)題，解決了PLC總線通信和原PLC控制邏輯的優(yōu)化等問(wèn)題，并通過(guò)增加冗余接觸器和改變觸發(fā)信號(hào)檢測(cè)方式，提高了鏜床運(yùn)行和操作的安全性。實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)升級(jí)后該精密鏜床完全實(shí)現(xiàn)了緊急停車(chē)及安全防護(hù)功能，如觸發(fā)“急?！毙盘?hào)時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)立即切斷快速進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源，與此同時(shí)進(jìn)給軸由于外部抱閘動(dòng)作實(shí)現(xiàn)緊急停車(chē)功能，若出現(xiàn)異?？刂葡到y(tǒng)會(huì)迅速通過(guò)控制總接觸器切斷總驅(qū)動(dòng)電源，實(shí)現(xiàn)了兩級(jí)安全防護(hù)策略，完全解決了原控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題，滿(mǎn)足了大型整體結(jié)構(gòu)件的安全加工需求。