一种数控加工中心智能上料安全门的改造

肖 鑫，黎 贤，彭国继

（上汽通用五菱汽车股份有限公司宝骏基地发动机工厂，广西 柳州545007）

0 引言

传统的加工中心上料门以及安全防护门结构简单控制回路单一，一般是利用普通继电器对被控电路现“通”“断”控制的执行机构、行程开关反馈位置、PLC执行程序来实现上料门的打开以及关闭。这种传统的防护门、上料门控制方式存在着大量安全隐患。现代的上料门、安全防护门控制回路一般会大量运用安全继电器来对控制回路进行控制，一般安全继电器会有双通道来判断当前需要监控的安全机构的状态并给出安全信号给机床系统进行处理从而更加安全。在未来无人工厂中安全回路显得更为重要，不仅仅需要安全继电器，还需要一些辅助性的安全电气元件如光幕、光栅、视觉传感器、视觉相机来共同构成整个设备的安全防护门、上料门的控制回路，以确保设备与设备、人与设备之间的安全保护。数控加工中心的上料门、安全防护门都是设备自身需要监控的安全类机构，那么进行进一步升级改造数控加工中心上的安全防护门、上料门的控制回路，让数控加工中心更加安全、更加智能、更加稳定的电路设计显得尤为重要。

1 总体研制方案设计

本着“以人为本，安全生产”的原则，数控加工中心的上料门、安全防护门能够防止操作人员在接近加工区域时，被快速飞溅的铁屑伤到以及避免其他的不安全因素。将数控加工中心与操作者隔离开，上料门自动控制无需人员操作，并且留有高强度透明材料制成的观察窗。

基于这种安全性的考虑对数控加工中心防护门、上料门的控制回路系统设计如图1，综合利用安全激光扫描仪、安士能门锁、安全继电器、行程开关、急停按钮设计出智能安全检测回路，将所有安全信号发送给PLC集中处理判断是否开门或者关门，通过新增激光安全扫描仪、安全继电器、安仕能门锁等目前国际上先进的安全类元件来进一步提升数控技工中心的安全性能。其中安全激光扫描仪扮演着重要角色，相当于整台设备的眼睛把整个上料门前面的安全情况反馈给PLC处理。安士能门锁同样扮演重要角色，把侧面观察安全门的当前状态反馈给PLC处理。通过以上安全器件的信号反馈再通过PLC的信号处理达到智能控制上料门、侧面观察安全门的目的。当有意外情况出现时智能安全监测回路将数控加工中心的主轴以及其他伺服驱动机构则必须停止运转，同时停止数控加工程序执行。

图1 系统构成方案图

2 方案实施过程

2.1 电路硬件选择

电路硬件主要包括安全激光扫描仪的电路设计、上料门驱动单元的电路设计、安全门锁定电路设计以及急停电路等四个控制回路。光幕单元电路主要是针对数控加工中心上料门的自动控制时只能检测操作人员是否在安全区域；上料门驱动单元主要是判断打开关闭的条件以及上料门当时的状态是否满足其动作；安全门锁定电路主要是判断当前机床状态是否安全，只有在整个机床处于安全且没有急停信号触发的前提下方可被打开。通过以上几个电路的互相配合制约形成一种智能、安全的可靠上料安全门智能安的控制回路如图2。

图2 智能控制回路设计流程图

2.2 智能控制回路的设计

急停控制回路如图3是数控加工中心必备的安全保护措施之一，当数控加工机床处于紧急情况下时机床操作人员应在第一时间拍下急停，数控系统启动急停处理程序，数控系统的CNC装置显示出“ESP”报警信息，数控系统伺服单元立即切断电源，数控系统执行停止运动的指令，数控加工机床处于安全状态。本次改造就是在数控系统的急停回路中串联一个安全智能控制回路，操作人员应如遇突发情况拍下急停按钮ESP线圈失电此时上料门无法关闭/打开及安全门无法打开，并停止机床上料门的一切动作防止造成人员伤害。

图3 急停控制回路

安士智能门锁的控制回路如图4，在该回路中运用了安智能门锁、皮尔兹安全继电器PNOZ3X，通过运用安全继电器“双通道”进行判断此时安全门的状态更加安全可靠即使在出现电气故障时安全功能也不会丧失。通过PONZ3X安全继电器以及安智能门锁反馈回路PNOZ1线圈给出当前安全门是否为安全状态。

行程安全控制回路如图5，上料门控制回路采用两个行程开关判断上料门的打开关闭的状态，同时为安全可靠同时采用了一个PONZX9P的安全继电器、两个行程开关，从图3可以看出上料门由安全继电器双通道“带触点检测”当行程开关满足S11/S12，S21/S22两个通道接通，安全继电器PLIZ的辅助触点23/24接通，从而K2、K3线圈接通来给上料门动作提供必要条件。

图4 安士能门锁控制回路

图5 行程安全控制回路

上料门驱动控制回路如图4，上料门驱动控制回路采用一个激光扫描光幕（扫描范围可根据实际工况用软件任意调整）如图6、7来智能监控上料门前操作人员是否处于安全位置来达成上料门开启或关闭的条件。当激光扫描光幕感应到上料门前为安全状态时，K4/K5两个激光扫描光幕通道接通，同时激光扫描光幕8号接口断开电源复位。当上料门需要关闭时K10关门线圈、K14抱闸线圈要通电需要满足急停信号ESP为OK、激光扫描光幕检测当前安全K4、K5通电、K6关门命令线圈使能、抱闸解除命令线圈使能。当上料门需要打开时只需要K7开门命令线圈、抱闸解除线圈同时接通即可无需判断上料门区域是否有人。

图6 激光扫描光幕扫描范围调整图

图7 激光扫描光幕工作原理图

图8 上料门驱动控制回路

图9 上料门、安全门智能控制改造样图

3 结束语

通过运用PLC安全信息采集，新增安全继电器、安全激光扫描仪、安士能门锁等国际上先进的安全类电气元件对数控加工中心上料门进行智能、安全、自动化升级改造。运用数个安全继电器组合互补彼此的异常缺陷，运用安全光幕智能判断上料门前操作人员是否在安全范围，给予机床操作人员和维护人员带来更高的安全保障，减少技能人员的人身伤害，有效降低企业的安全运营风险，同时提高数控加工中心安全性、可靠性。