摘 要：以VMC3016L加（jiā）工中心（FANUC 0I-MATE-MD係統）為背景（jǐng），介紹VMC3016L加工中心急停與過行程（chéng）硬件控（kòng）製電路設計，對過行程與急停報警控製、CNC進入急停（tíng）時G8.4信號的控製、軸互鎖控製、Z軸互鎖控製、進給暫（zàn）停控製的PMC梯形圖（tú）設計等方麵做了詳細的分析和解釋，以此作為工（gōng）程（chéng）技術人員設計加工中心的急停與安全保護功能的理論支撐。

     關鍵詞：VMC3016L加工中心；急停；過（guò）行程；安全保護功能；PMC梯形圖
 

      0 引言

      在數控機床（chuáng）使用（yòng）過程中，會遇到一些突發情（qíng）況，例如機械運動部分超過運動極（jí）限位置時、工人看到主軸刀具與夾具快要撞到時，此時機床可以立刻進入緊（jǐn）急急停狀態，切斷所有進給電機（jī）和主電機的動力電以保護機床[1]；當機床正（zhèng）在自動加工時，如果防護門被打開了，所有的進給軸應該立即鎖住，停止移動，以免出現人身傷害事故；正（zhèng）常加（jiā）工時，如（rú）果刀庫不在最（zuì）左（zuǒ）麵，嚴禁Z軸移（yí）動，否則會將刀（dāo）庫或（huò）主軸撞壞。因此數控（kòng）機（jī）床的急停與安（ān）全保護功能的設計至關重要，本文詳細介紹VMC3016L加工中心（xīn）急停（tíng）與過行程硬件控製電路設計；行程與急停報警控製、CNC進入急停時G8.4信號（hào）的（de）控製、軸互鎖控製、Z軸互鎖控製、進給暫停控製（zhì）的PMC梯形（xíng）圖設計。

      1 、急停硬件電路設計

     如圖1所示，限位控（kòng）製是數控機床（chuáng）的（de）一個基本安（ān）全功能，由於絲杆的行程（chéng）有限，數控車床各軸運行是有安全（quán）運行區域的，一旦出了（le）此安全區域（yù），工作（zuò）台運動到極限位置，導致“撞（zhuàng）車”事故（gù），將絲杆螺母（mǔ）或工（gōng）作台撞（zhuàng）壞[2]，

               圖1 軸正負方向行程限位示意圖
 

      為了限製各（gè）軸在安全區（qū）域內運行，在工作台上安裝了兩個（gè）行程限位開關，以限定軸移動的正負方向行（háng）程。

       
  
                  圖（tú）2 急停（tíng）按（àn）鈕
 

      如圖2所（suǒ）示，為急停按（àn）鈕，當數控機床操作人員或維修人員認為（wéi）機床發生緊急情況時（shí），為了保護機床或人身（shēn）安全，迅速拍下此急停控製按鈕，此時數控機床上的電源放大模塊與伺服模塊的（de）輸入電（diàn）壓瞬時切斷，各部分的電機就無法動作，機床的所有運動部（bù）件被鎖住，機床各移動軸停止移動。一（yī）旦危險或故障排除後（hòu），順時針旋（xuán）轉急停按鈕，使其複位，機床進入準備（bèi）運行狀態。

     如圖3急停超程硬件電路原理圖所示， X、Y、Z三個軸（zhóu）正負方向的（de）行程（chéng）限位開關信號（SQX+、SQX-、SQY+、SQY-、SQZ+、SQZ）常閉觸點互相串聯，控製超程繼（jì）電器KA2，為數控（kòng）係統提供硬限位超程信號，在屏幕上出現相應的（de）報警信息，以警示操作者。當（dāng）任一坐標軸超程產生超（chāo）程（chéng）和急停報警之後，需要按住（zhù）超程釋放按鈕讓超程繼電器KA2與急（jí）停繼電器（qì）KA1得（dé）電，急停報警消除（chú），然後移動（dòng）軸，使其往超程的反方向移動，當行程限位擋塊離開（kāi）行（háng）程開關（guān）後就可以鬆（sōng）掉（diào）超程釋放按鈕。六個行程限位開關信號再與（yǔ）急（jí）停按鈕的常閉觸點信（xìn）號串聯，控製急停繼電器KA1。電源模塊PSM（PowerSupply Module）的CX4端子接（jiē）急停繼電（diàn）器KA1信號的常開觸點[3]，作為電源模塊PSM的（de）急停輸入信號（hào），作為電源模塊工作與否的一個（gè）條件。在FANUC 0I數控係統中，I/O LINK子單元以開關量I/O單元（yuán）為主，處理一些輸入輸出（chū）開關量（liàng）信號，這裏將急停繼電器的一個信號KA1常開觸（chù）點接到CB105接口上的A08腳，信號地址為X8.4，這個信號必須接到CB105接口上（shàng）的A08腳，因為（wéi）急停信號的輸入地址X8.4是FANUC係（xì）統自定義的，不充許（xǔ）用戶修改（gǎi）[5]，由數控係統CNC直接讀取這個（gè）急停信號（hào）X8.4，當此信號為0時，數控係統立即（jí）進入急（jí）停（tíng）狀態。將超程繼電器的信號KA2常開觸點接到CB105接口上的（de）B08腳，信（xìn）號地（dì）址為X8.5，供係統過行程報警用。

                     圖3 急停超（chāo）程硬件電路原理（lǐ）圖（tú）

     正常情況下（沒有急停狀況或超程），此時KA1與KA2繼電器得電（diàn）吸合，電源模塊PSM的（de）CX4接頭（tóu）得到KA1閉合信號，進（jìn）入正常工作（zuò）狀態，為後麵的伺服驅動（dòng）器提供（gòng）直流母線電壓（yā）300V，I/O LINK上CB105接口上的（de）X8.4信號得到24V，狀態變為1，無係（xì）統急停報警；同樣，X8.5信號狀態也（yě）為1，無超程報警，機床此時進入正常（cháng）運行狀態。

     2 、急停安全保護功能PMC程序設計與（yǔ）分析

     2.1 過行程與急停報警控製

     當X、Y或Z三坐標方向過行程，超程繼電器KA2失電，KA2常開觸（chù）點斷開，X8.5不能得（dé）到24V，使得X8.5=0，如圖4所示，此時輸出A0.0=1，數控係統屏幕上顯示EX1000 OVER TRAVEL（過行（háng）程報（bào）警）（對應信息顯示位：A0.0）。當工（gōng）作台移出超程區域，超程繼電器（qì）KA2得電，使得X8.5=1，此時輸出A0.0=0，無超程報警。

      
  
                       圖（tú）4 過行程與急停報警控製梯形圖

     當拍下急停按鈕時，急停控製繼電器KA1失電，其常開觸（chù）點斷開，X8.4不能得到（dào）24V，使得X8.4=0，如圖4所示，此時輸出A0.3=1，數控係統屏幕上顯示EX1003EMERGENCY STOP （急停報警EMG，如（rú）圖5所示）(對應信息顯示位：A0.3)[4]。

       
  
                         圖5 FANUC係統急停報警（jǐng）畫麵

     2.2 CNC進入急（jí）停G8.4信號的（de）控製

     FANUC 0I係統的PMC→CNC信號（G信號）、CNC→PMC信號（F信號）由CNC係統軟件定義其地址的，是固定的，用戶隻可（kě）使用不可更改[5]。G8.4是PMC向CNC發出的急停輸出信號，一（yī）旦G8.4=0，CNC立刻進入（rù）急（jí）停狀態。控製要求：過行程、急停、主軸異常、氣源壓力低、冷（lěng）卻泵電機過載時，使G8.4=0。如圖6所示，當過行程報警A0.0=1，或主軸異常報警A0.l=1，或氣源壓力低報警A0.2=1，或急停（tíng）報警A0.3=1，或主軸冷卻泵電機過載報警Al.4=1時（shí），輸出R515.7=1（報警寄存器，控製急停）。

                   圖6 G8.4信（xìn）號的控（kòng）製（zhì）梯形圖

      五（wǔ）個報警信號A0.0、A0.l、A0.2、A0.3、A1.4采取並（bìng）聯輸入，它們都使用常開觸點。即當其中任何一個（gè）報警信號輸入為1時，R515.7輸出1，使得G8.4變為0，（在（zài）圖中可看到G8.4的標誌是*ESP，FANUC數控係統規定：帶*號的標誌為零時該信號有效）[5]，此時（shí）係統進入急停；G71.1是第一串行主軸急停信號*ESPA，因為本機床采（cǎi）用的是FANUC串行主軸，串行主軸正常工作的前提條件是G71.1為1，為0時處（chù）於急（jí）停狀（zhuàng）態，串行主軸（zhóu）伺服驅動器禁止輸出，此（cǐ）時主軸停轉（zhuǎn），也就是當出（chū）現過行程、外部急停、主軸異常、氣源壓力低、冷卻泵
電機過載時，使G71.1=0，串行（háng）主軸進入急停狀態，主軸立刻停轉。

      2.3 軸互鎖控（kòng）製

     當進（jìn）入急停狀態或過行程或機床門打開時，使機床各軸（zhóu）鎖住（zhù），禁止（zhǐ）其移動，以保護機床（chuáng）。控製（zhì）梯形圖如（rú）圖7所示，G8.0(*IT)是所有軸互鎖信號（為0時各（gè）軸伺服關斷）、G130.0(*IT1)是X軸互鎖信號（為0時X軸伺服關斷）、G130.1(*IT2)是Y軸互鎖信號（為（wéi）0時Y軸伺服關斷）、G7.5(*FLWU)是伺服關斷、急停或伺服報警期間的位置跟蹤信號（為（wéi）0時支（zhī）持跟蹤）。

                       圖7 軸互鎖（suǒ）控製梯形（xíng）圖

     當CNC不在急停狀態即（jí）G8 . 4=1 時， 此時輸（shū）出R515.0=1（報警解除），同時機床保護門（mén）關閉（bì）信號R524.3為1時，G8.0、G130.0、G130.1三個信號（hào）為1，伺服軸可以移動（dòng），否則G8.0、G130.0、G130.1三個（gè）信號為0，伺服軸（zhóu）關斷[6]。

     2.4 Z軸（zhóu）互（hù）鎖控製

     因為立式加工中心的Z軸（zhóu）比較特殊，此台（tái）加工中心是鬥笠式刀庫換刀，換刀時，刀庫要從最左麵移到最右麵（靠近主軸側，而主軸是由Z軸帶動上下（xià）移動的），刀庫在（zài）插刀和還刀（dāo）時，嚴禁Z軸移動，否則會將刀庫（kù）或主軸撞壞[7]，這是一（yī）個（gè）很重（chóng）要的安全（quán）保護功能，所以這裏設計在執行M6換刀指令時、或是刀庫在最右側時，Z軸要鎖住，不能移動，如圖8中Z軸（zhóu）互鎖控製梯形圖所示，當執行M6換刀指令時，其標誌（zhì）位R622.0=1，梯形圖中的常閉觸點斷開，或者刀庫在最右側，其標誌位R528.5=1，梯形圖中的常閉觸點斷開，此時若有一個（gè）條件滿足，則輸出R511.5=0（Z軸鎖定標誌）， G130.2(*IT3)是Z軸互鎖信號為0， Z軸伺服關斷，無法移（yí）動（dòng）。

                             圖8 Z軸互鎖控製梯形圖（tú）
 
 
      2.5 進給暫停控製
 
 
      G8.5(*SP)是（shì）進（jìn）給暫停信號（為0時各軸進給運動暫停）[8]，正常加工時（shí），必須使G8.5為1，以下是（shì）循環暫停控製過程，如圖9所示，循環暫停按鍵SW3，信號地址是X0.1，X0.1的信號線是（shì）接到此按鍵的（de）常（cháng）閉觸點上的（de），正常加工時，此觸點是閉合的，隻有按下循（xún）環暫停（tíng）按（àn）鍵後，此觸點才斷開，X0.1=0，使（shǐ）G8.5=0，這樣程序就停（tíng）止運行，並且沒產生A45、A23報警R518.2=1、R518.1=1，並且（qiě）準備好信號R100.1=1，M01、MOO指令沒有執行R530.3=O、R554.3=0，並且沒有產生冷卻（què）電機過載報警A2.4=0，並且在執行主軸速度S代碼時（shí）沒
產生刀具沒有抓緊報警A4.6=0時[9]，輸出G8.5=1（進給不暫停（tíng））。

                          圖9 進給暫停（tíng）控製梯形圖
 

       3、 結束語

      為了為數控機床營造一個安全運行環境，更重要是數控機床自身要有各種安全保護功能，通過自身（shēn）的安全保護功能PMC程序（xù）監控外圍的一些不安全因素（sù），及時處理，以免出現嚴重的問題（tí），例如潤滑油沒有了，不能隻簡單的出現潤滑油位低報（bào）警，還要使（shǐ）程序（xù）進入暫（zàn）停狀態，這樣是為了保護進給機械結（jié）構因缺油而受損。實踐證明，采用上述急停、過行程和安全保（bǎo）護功能設計的VMC3016L的（de）加工中心安全故障極（jí）少，其他故障率也（yě）較低，更（gèng）沒有出現撞機導致損壞機床機械結構（gòu）的事故。