主要介紹在自動(dòng)生產(chǎn)線上及機(jī)器人給機(jī)床上下料等方面，機(jī)床安全PLC程序控制的應(yīng)用，防止機(jī)器人等自動(dòng)化設(shè)備對(duì)機(jī)床或操作人員造成意外傷害。
序言
當(dāng)今制造業(yè)人力成本不斷增高，大部分企業(yè)逐漸由原來人工操作單臺(tái)機(jī)床的傳統(tǒng)加工生產(chǎn)方式向機(jī)器人自動(dòng)上下料及采用自動(dòng)生產(chǎn)線的加工方式轉(zhuǎn)變，不僅減少了人員成本，而且提高了加工效率，減少了產(chǎn)品的廢品率，從中長(zhǎng)期考慮能減輕企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，因此大部分企業(yè)訂購(gòu)機(jī)床時(shí)都要求配置機(jī)器人自動(dòng)上下料功能，也有很多企業(yè)對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行增加機(jī)器人的改造升級(jí)。對(duì)于制造業(yè)來說，機(jī)器替代人是大勢(shì)所趨，但同時(shí)機(jī)床必須做好PLC程序控制，以保證機(jī)器人能夠安全穩(wěn)定地進(jìn)行生產(chǎn)[1，2]。機(jī)器人在參與生產(chǎn)制造的過程中，發(fā)生事故的情況也時(shí)有出現(xiàn)，輕則造成設(shè)備損壞停機(jī)，重則造成人員傷亡，因此對(duì)于機(jī)床與機(jī)器人的程序控制是至關(guān)重要的。本文是作者在長(zhǎng)期進(jìn)行機(jī)床與機(jī)器人調(diào)試后總結(jié)的安全控制程序，規(guī)避了各種安全隱患，為企業(yè)提供了安全可靠的方案。
機(jī)器人上下料順序
自動(dòng)化加工過程中，機(jī)器人的上下料順序應(yīng)為：機(jī)床準(zhǔn)備好（防護(hù)門開、夾具松開且各軸處于安全位置）→機(jī)床請(qǐng)求機(jī)器人上料→機(jī)器人上料→機(jī)器人上料完成→機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)加工→機(jī)床加工完成→機(jī)器人下料→機(jī)器人下料完成→機(jī)床自動(dòng)請(qǐng)求上料循環(huán)。
加工時(shí)，操作人員只需要按下機(jī)床啟動(dòng)按鈕，機(jī)床就會(huì)發(fā)出“上料請(qǐng)求”信號(hào)，同時(shí)機(jī)器人檢測(cè)機(jī)床是否處于安全位置，如機(jī)床處于安全位置且接到“上料請(qǐng)求”信號(hào)，則機(jī)器人進(jìn)行上料。當(dāng)機(jī)器人上料完成并完全離開機(jī)床后，會(huì)向機(jī)床發(fā)出“上料完成”信號(hào)，機(jī)床收到“上料完成”信號(hào)后夾緊夾具并關(guān)閉防護(hù)門，開始自動(dòng)加工。當(dāng)機(jī)床加工完成后，自動(dòng)打開夾具和防護(hù)門，請(qǐng)求機(jī)器人下料，下料完成后再請(qǐng)求機(jī)器人上料，從而進(jìn)行下一循環(huán)的加工。機(jī)器人與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的PLC連接如圖1所示[3]。
圖1 機(jī)器人與數(shù)控系統(tǒng)PLC連接示意
幾種常見問題及分析
（1）問題一 機(jī)床發(fā)過上料請(qǐng)求信號(hào)，但機(jī)器人無動(dòng)作，造成一直停機(jī)等待上料的狀態(tài)。
此種情況是初期調(diào)試機(jī)器人及自動(dòng)化生產(chǎn)線的人員經(jīng)常犯的編程錯(cuò)誤，錯(cuò)誤PLC程序如下。
這種PLC編程在執(zhí)行第1個(gè)循環(huán)的時(shí)候沒有問題，但從第2個(gè)循環(huán)開始就可能出現(xiàn)機(jī)器人停止上料的情況，這是因?yàn)樵趫?zhí)行機(jī)器人“上料請(qǐng)求”M80前是“夾具松開”及“防護(hù)門開”指令，這兩個(gè)動(dòng)作都可能發(fā)生瞬間波動(dòng)。夾具松開信號(hào)有些是通過壓力繼電器檢測(cè)，當(dāng)壓力不穩(wěn)時(shí)會(huì)有瞬間的0、1波動(dòng)，防護(hù)門一般都是氣動(dòng)控制，開門到位后也不是很穩(wěn)，會(huì)造成開關(guān)的瞬間0、1變化，這兩個(gè)信號(hào)都到1后程序才能往下繼續(xù)執(zhí)行，當(dāng)執(zhí)行到M80時(shí)，因?yàn)?/FONT>M碼為脈沖信號(hào)，只發(fā)出一個(gè)脈沖，所以如果在發(fā)出脈沖“上料請(qǐng)求”信號(hào)后沒能自鎖完成或自鎖后又被瞬間波動(dòng)拉斷，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人無法接收到“上料請(qǐng)求”信號(hào)，而機(jī)床也無法再次發(fā)出此信號(hào)。
（2）問題二 機(jī)床未在安全位置而機(jī)器人卻給機(jī)床上料，此種情況極其危險(xiǎn)，很容易造成人員傷害或機(jī)床及機(jī)器人損壞。有多種編程錯(cuò)誤可導(dǎo)致此現(xiàn)象發(fā)生。
1）當(dāng)機(jī)床通過參數(shù)或按鈕調(diào)用程序塊的方式控制機(jī)器人生效及失效時(shí)，就很有可能出現(xiàn)此種事故。PLC程序如下。
此種編程方法在調(diào)用機(jī)器人生效并執(zhí)行機(jī)器人上料指令后，沒等機(jī)器人上料完成就將機(jī)器人調(diào)到失效狀態(tài)，然后復(fù)位進(jìn)行機(jī)床操作。此時(shí)操作人員認(rèn)為機(jī)器人調(diào)用失效，機(jī)器人不會(huì)有動(dòng)作，其實(shí)，當(dāng)機(jī)器人調(diào)用失效后，FC100塊即失效，再?gòu)?fù)位也不執(zhí)行，已經(jīng)置位的機(jī)器人請(qǐng)求上料信號(hào)也不能復(fù)位，此時(shí)機(jī)器人還會(huì)給機(jī)床上料，會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果。
2）機(jī)器人上料過程中突然停止，當(dāng)操作人員過去維修時(shí)機(jī)器人又突然啟動(dòng)，這種情況對(duì)操作人員也是非常危險(xiǎn)的。PLC程序如下。
這種控制方式是機(jī)器人通過機(jī)床的上料請(qǐng)求M80.7及機(jī)床安全M80.6兩個(gè)信號(hào)來判斷是否進(jìn)行上料動(dòng)作，當(dāng)只有一個(gè)信號(hào)時(shí)機(jī)床不動(dòng)作。此種方式會(huì)導(dǎo)致當(dāng)機(jī)床發(fā)出兩個(gè)信號(hào)且機(jī)器人開始動(dòng)作后，突然有信號(hào)不滿足條件時(shí)，機(jī)床安全M80.6信號(hào)斷開，機(jī)器人就會(huì)停止動(dòng)作，而當(dāng)機(jī)床安全M80.6信號(hào)又接通時(shí)機(jī)器人就會(huì)繼續(xù)動(dòng)作，這時(shí)如果有人員在操作或維修機(jī)床就會(huì)非常危險(xiǎn)。此種情況也是非常容易發(fā)生的，因?yàn)閵A具信號(hào)不管是用壓力繼電器還是用開關(guān)檢測(cè)都有發(fā)生錯(cuò)誤的可能，液壓系統(tǒng)容易波動(dòng)會(huì)使壓力繼電器不穩(wěn)定，而夾具開關(guān)很可能受到加工切屑的干擾而誤發(fā)信號(hào)。
（3）問題三 當(dāng)機(jī)器人給機(jī)床上料時(shí)機(jī)床突然啟動(dòng)，此時(shí)機(jī)床和機(jī)器人相撞都會(huì)受到損傷，出現(xiàn)此種情況可能是機(jī)器人誤發(fā)“上料完成”信號(hào)或“上料完成”信號(hào)的線路出現(xiàn)故障。
針對(duì)機(jī)器人的機(jī)床安全PLC程序
針對(duì)上述一些典型問題總結(jié)出應(yīng)用于機(jī)器人的機(jī)床PLC安全控制邏輯如下。
1）不要通過機(jī)床與機(jī)器人聯(lián)機(jī)工作的按鈕或參數(shù)去調(diào)用機(jī)器人控制的程序塊生效與否，調(diào)用機(jī)器人程序的塊要一直生效，并在程序塊里面控制機(jī)器人是否生效，具體如下。
2）盡量不要在請(qǐng)求機(jī)器人上下料時(shí)用S、R指令，要用線圈自鎖方式向機(jī)器人發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，另外最好給機(jī)器人兩個(gè)信號(hào)，包括一個(gè)“上料請(qǐng)求”和一個(gè)“機(jī)床安全”信號(hào)。“上料請(qǐng)求”信號(hào)只加入一些必要的信號(hào)，如“急?！薄皬?fù)位”“機(jī)器人生效”等，而一些可能發(fā)生瞬間波動(dòng)的信號(hào)作為“機(jī)床安全”信號(hào)給機(jī)器人。機(jī)器人上料的時(shí)候要同時(shí)判斷兩個(gè)信號(hào)來進(jìn)行動(dòng)作，這樣就避免了機(jī)床“上料請(qǐng)求”信號(hào)被瞬間波動(dòng)信號(hào)拉斷的可能。如果機(jī)床I/O地址有限，也可把兩個(gè)信號(hào)串在一起給機(jī)器人，但是一定要對(duì)“安全信號(hào)”進(jìn)行防抖處理。具體如下。
3）機(jī)器人一定要有一個(gè)“安全區(qū)域”信號(hào)給機(jī)床，“安全區(qū)域”信號(hào)正常時(shí)為1，只要“安全區(qū)域”信號(hào)變?yōu)?/FONT>0，機(jī)床就會(huì)停止動(dòng)作。當(dāng)機(jī)床收到機(jī)器人的“上料完成”信號(hào)時(shí)也要判斷“安全區(qū)域”是否為1，這樣就避免了機(jī)器人在機(jī)床內(nèi)時(shí)機(jī)床動(dòng)作的可能。
結(jié)束語
本文中的PLC程序在用戶現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)安全運(yùn)行兩年，未發(fā)生過安全事故。此程序適用于應(yīng)用機(jī)器人、桁架機(jī)械手等各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上的設(shè)備，極大地保證了設(shè)備及操作人員的安全，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低了運(yùn)營(yíng)成本。
參考文獻(xiàn)：
[1] 李海兵. 分析PLC在數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2020，17（1）：102，104.
[2] 陸茜. 基于PLC的數(shù)控機(jī)床安全控制設(shè)計(jì)研究[J]. 南方農(nóng)機(jī)，2018，49（16）：108，114
[3] 西門子（中國(guó)）有限公司. STEP 7 V5.2編程手冊(cè)[Z].2003.
本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2022年第10期74~76頁(yè)，作者：沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公，顧紅光，原標(biāo)題：《基于機(jī)器人的機(jī)床安全PLC控制》。
（轉(zhuǎn)載）
