基于PLC的数控机床安全控制设计

谢升周

摘 要：本文结合数控机床PLC控制程序的设计原理，提出一种基于PLC的数控机床安全控制设计方案，并对其设计思路进行研究，并为相关实践及研究提供参考。

关键词：PLC 数控机床 安全控制 设计 研究

数控机床作为加工制造行业生产的重要设备，与传统机床加工相比，不仅进行零件加工的精度高，并且加工效率高、产量质量稳定，具有较高的自动化水平等，在机械制造行业发展中具有非常显著的地位和作用。而数控机床安全控制系统是针对数控机床加工应用中技术设计层面存在着不足，结合数控机床加工运行中容易出现的安全事故及问题设计的一种自动化控制与管理系统，对确保数控机床加工操作的安全性有着非常积极的作用和意义。下文将对基于PLC的数控机床安全控制设计进行分析。

1 数控机床的PLC控制原理分析

数控机床的加工操作控制方式主要包括以CNC系统利用实现的数字信息控制和以数控机床各装置动作开关、传感器以及控制按钮等开关信号状态为条件，通过相应的逻辑顺序对各开关动作及运行进行控制的两种不同方式。其中，后一种通过开关量信号顺序控制实现数控机床动作控制的方式中，其控制由PLC程序实现。PLC作为一种可编程控制程序，在数控机床运行控制中应用，不仅具备控制动作响应快、精度高、可靠性突出等特征，并且其控制程序的设计能够结合实际情况进行相应的改进完善，同时与计算机连接接口设计形式，使其连接与维护都比较方便，在数控机床控制设计应用中较为受欢迎。通常情况下，数控机床中设计应用的PLC控制程序主要包含系统控制和用户程序两个部分，而系统控制中又包含监控程序、诊断程序与编译程序等，该程序结构一般由生产厂家提供，以一种固化状态安装设置在EPROM中进行系统控制实现，该程序结构在运行控制中不能由用户进行直接存取或干预。此外，PLC控制程序中用户程序部分，是用户结合现场控制的需求，通过PLC程序语言进行设计的一种应用程序，通过这种应用程序能够满足用户对现场的各种控制要求。利用PLC程序语言进行数控机床的用户程序设计时，主要设计语言包含语句表、梯形图以及功能块图等多种语言形式。需要注意的是，数控机床运行中，其执行机构的多数动是在PLC控制程序设计指令的控制下完成的，通过PLC控制程序不仅能够进行数控机床运行中故障问题的快速检测与维修处理，同时还可以通过PLC控制程序语言设计，添加相应的数控机床执行动作及功能，在数控机床控制应用中效果及优势十分显著。

2 基于PLC的数控机床安全控制设计分析

2.1 基于PLC的数控机床安全控设计方案。数控机床作为机械制造的重要设备，在工业制造与加工行业应用非常广泛，尤其是随着自动化与智能化发展，新型数控机床设备在机械制造中的引进应用越来越多，而安全问题作为数控机床设计考虑的首要问题，对数控机床加工操作的安全性及生产效率等都存在着较大的影响。结合数控机床在机械制造中应用的实际情况，由于对数控机床系统操作的不正确或者是机床设备本身原因导致的故障问题，在机床运行控制中一般需要在故障报警消除后重新返回HOME状态时才能够再次进行机床运行动作命令的执行，但是也存在着部分数控机床控制系统在故障消除后不需要返回HOME状态即可以直接实现程序运行控制。值得注意的是，上述两种数控机床控制方式，后一种在数控机床运行控制应用中虽然能够在一定程度上节省动作命令操作执行的时间，但是因此造成的安全隐患也比较突出。以后一种故障报警消除后不需要返回HOME状态即可再次运行程序的控制系统为例，假设其在某次运行中出现故障报警并产生停机动作，在操作人员消除故障报警后为返回HOME状态即再次启动运行程序，而再次运行过程中由于主轴与夹具出现碰撞导致主轴精度及动平衡出现偏差，导致其在实际加工生产中无法满足相应的工艺技术质量要求，对生产效益产生了极大的影响。根据这一实例就可以看出，机床在运行报警停机后，机床夹具与主轴位置状态即发生变化，与初始状态存在差异，而消除故障报警后立即重新运行程序，执行后续程序名，必然容易造成主轴误动作引起主轴与夹具或加工工件发生碰撞，从而对机床加工的工艺质量及效果产生不利影响。针对这种情况必然需要进行相应的机床运行安全控制改进或设计应用，以确保机床加工运行的安全性和工艺质量效果。本文所提出的基于PLC的数控机床安全控制系统设计方案，就是针对上述机床运行控制系统问题，为避免机床运行控制不当导致的工件加工工艺质量不合格等问题影响，以数控机床FUNUC系统加工中心设计了一个相应的机床动作安全控制程序，对机床执行加工程度或空运行程序下停机故障报警以及报警消除后必须通过执行返回HOME状态才能再次运行程序的功能进行保障，以避免引起设备故障后夹具、主轴状态误动状态导致碰撞发生，影响机床设备的正常运行使用，满足工件加工工艺需求。

2.2 设计思路与实施分析。上述针对机床运行误动状态及影响设计的防错安全控制系统，是以数控机床PLC控制程序及其设计原理为基础，同时以机床自动化运行作为条件，在增加机床启动运行的条件限制情况下，通过在机床运行控制操作面板设置循环启动准备信号指示灯以及返修指示灯、返修控制按钮等操作装置，实现对机床运行动作执行的安全控制。首先，在数控机床启动运行动作条件的添加设置上，分别增加设置了机床动作启动执行必须在x、y、z轴动作回到第二参考点，同时A轴动作处于90度状态时，数控机床的启动动作才能够再次执行；此外，数控机床主轴刀具为初始刀具或空刀时，机床动作执行的启动运行才能再次实现；数控机床A轴为夹紧状态，同时夹具为松开状态的情况下，机床启动程序即可满足再次执行命令要求。需要注意的是，在上述4个数控机床启动条件中，其启动运行命令执行需要在4个条件同时满足情况才能够执行数控机床加工程序的自动加工命令，而上述机床启动条件的添加设置则是为了确保机床在故障报警后，需要先通过RETURN程序运行，在机床恢复至能够正常运行状态的情况下，才能够在HOME状态下执行自动运行的动作命令，以避免引起机床误动造成的碰撞发生，影响机床加工运行的安全性和稳定性。

其次，结合上述机床启动运行条件设置，在未满足机床自动运行启动条件的情况先，其循环启动准备就绪指示灯即不会发出提示，这一情况下，通过循环启动按键操作控制机床循环启动运行就会导致机床发出故障报警信号，对机床加工操作人员发出提示，只有按照设计程序进行故障处理与恢复动态状态的情况下，才能够通过控制键操作使机床进入再次自动运行的工作状态，同时控制程序根据机床运行状态进行再次循环监控管理。最后，在机床工件需要返修情况下，通过对相应的程序设计进行执行，按下返修控制键即可发出返修提示，进入工件返修加工状态，而返修加工状态下，设备运行不会受到循环启动准备就绪控制条件限制，能够实现循环启动运行。如下图1所示，即为根据上述设计方案及思路设计实现的基于PLC的數控机床安全控制程序。

3 结语

总之，进行基于PLC的数控机床安全控制设计研究，有利于促进在数控机床程序设计中的推广应用，对促进数控机床自动化水平提升以及确保数控机床加工操作安全等，都有十分积极的作用和意义。

参考文献

[1]潘彩霞，涂金龙.数控机床安全防护门罩自动控制装置的研制[J].南京工程学院学报（自然科学版），2015，13（03）：69-73.

[2]赵巍.840D数控系统中的安全控制在数控机床中的的应用[J].黑龙江科技信息，2011（27）：14.