安全產(chǎn)品在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用
現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床逐步向高速、高效、高精、復(fù)合等功能的方向發(fā)展。在一臺(tái)高速和復(fù)雜的機(jī)床中保證高效生產(chǎn)，安全可靠性是一個(gè)必要條件。所以，我們?cè)u(píng)價(jià)一臺(tái)機(jī)床的優(yōu)劣，不僅需要看其功能有多強(qiáng)大，同時(shí)也需要關(guān)注其安全性能有多高。提高數(shù)控機(jī)床的安全性能，既可以減少生產(chǎn)事故、保護(hù)人員和機(jī)器安全，提高自身產(chǎn)品附加值，也能夠突破西方國(guó)家的技術(shù)壁壘、增加出口機(jī)會(huì)。

歐盟作為世界上最大的自由經(jīng)濟(jì)貿(mào)易區(qū)，為了建立統(tǒng)一的歐洲市場(chǎng)，推出了新方法指令，以清除技術(shù)壁壘。歐盟所頒布的這些指令，針對(duì)性、系統(tǒng)性強(qiáng)，易于操作實(shí)施，因此也被歐盟外的一些國(guó)家和地區(qū)的制造商使用，除了使產(chǎn)品能投放市場(chǎng)的原因外，也是表明產(chǎn)品所達(dá)到的安全水平，便于銷售。所以，如果要設(shè)計(jì)一臺(tái)安全的數(shù)控機(jī)床，可以參照新方法指令中的機(jī)械指令98/37/EC。此外，制造商要使其產(chǎn)品符合指令所規(guī)定的基本要求，最好的方法就是按標(biāo)準(zhǔn)來(lái)制造產(chǎn)品，因?yàn)檫@些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了實(shí)現(xiàn)指令所規(guī)定的基本要求的技術(shù)措施。機(jī)床行業(yè)常用的一些C類標(biāo)準(zhǔn)如下所示：
Ø EN 12415：2000 機(jī)床 安全 小型數(shù)控車床和車削中心
Ø EN 12417：2001 機(jī)床 安全 加工中心
Ø EN 12478: 2000 機(jī)床安全 大型數(shù)控車床和車削中心
Ø EN 1550：1997 機(jī)床安全 工件夾緊用卡盤設(shè)計(jì)和制造的安全要求
Ø EN 12717：2001 機(jī)床安全 鉆床
Ø EN 12840：2001 機(jī)床安全 自動(dòng)或無(wú)自動(dòng)控制的手控車床
Ø EN 13128：2001 機(jī)床安全 銑床（包括鏜、鉆）
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，首先會(huì)要求對(duì)機(jī)器進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。在數(shù)控機(jī)床的使用中，軸的旋轉(zhuǎn)或線性移動(dòng)都會(huì)對(duì)操作和維修人員造成摩擦、碰撞的危險(xiǎn)。刀庫(kù)的轉(zhuǎn)塔和刀具也會(huì)對(duì)操作和維修人員帶來(lái)摩擦、切割的傷害。經(jīng)過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和評(píng)價(jià)，一臺(tái)數(shù)控機(jī)床所要求的安全等級(jí)通常在3級(jí)以上。
在識(shí)別了機(jī)器的危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)之后，必須采用一系列的措施來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。可以采用緊急停止按鈕，保證在危險(xiǎn)的情況下，機(jī)器能夠快速的停止；可以采用安全門防護(hù)裝置，如帶閉鎖的或不帶閉鎖的機(jī)械式插片開(kāi)關(guān)，防止人員隨意進(jìn)入危險(xiǎn)的區(qū)域，保證維修人員在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)安全地進(jìn)行操作；可以使用安全監(jiān)控速度功能、調(diào)試使能按鈕和電子手輪，監(jiān)控機(jī)器的超速和停止?fàn)顟B(tài)，并且保證人員在打開(kāi)安全門的情況下安全地調(diào)試機(jī)器；必須采用安全控制模塊，如安全繼電器或安全PLC來(lái)監(jiān)控以上安全功能，避免控制模塊本身的故障而導(dǎo)致安全功能的失效。

一臺(tái)小型數(shù)控機(jī)床帶有一個(gè)急停按鈕、一個(gè)帶閉鎖的機(jī)械安全開(kāi)關(guān)監(jiān)視內(nèi)側(cè)安全門、一個(gè)不帶閉鎖的機(jī)械安全開(kāi)關(guān)監(jiān)視外側(cè)安全門。經(jīng)過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和評(píng)價(jià)，對(duì)其的安全要求要求為：在任何一個(gè)安全功能被觸發(fā)的情況下，伺服或變頻器的電源以及相應(yīng)的使能必須被切斷，軸安全的停止運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)此應(yīng)用，根據(jù)安全功能較少的特點(diǎn)，我們可以選取單一安全繼電器作為安全控制模塊。在這里，我們選用了3個(gè)PNOZ X2.8P安全繼電器和一個(gè)S1SW P停止監(jiān)控繼電器。PNOZ X2.8P最高安全等級(jí)可以達(dá)到4級(jí)，符合應(yīng)用要求；帶有3個(gè)安全常開(kāi)輸出觸點(diǎn)，1個(gè)常閉輔助輸出觸點(diǎn)。每一個(gè)安全繼電器控制一個(gè)安全功能。K12安全繼電器控制帶閉鎖的機(jī)械安全開(kāi)關(guān)，如圖一所示。其解鎖開(kāi)關(guān)的信號(hào)來(lái)自S1SW P停止監(jiān)控器，以確保只有在軸停止運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下，內(nèi)側(cè)安全門才能夠被打開(kāi)。K13安全繼電器控制不帶閉鎖的機(jī)械安全開(kāi)關(guān)。K11安全繼電器控制急停按鈕，并且接受K12和K13傳送過(guò)來(lái)的安全信號(hào)，如圖三所示。此安全解決方案，成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、接線清晰、故障診斷便捷，適應(yīng)與4個(gè)以下安全功能的應(yīng)用。
圖一 圖二 圖三
對(duì)于一臺(tái)中型復(fù)雜的數(shù)控機(jī)床，通常會(huì)有以下安全功能：主緊急停止按鈕、刀庫(kù)緊急停止按鈕、刀庫(kù)和工作區(qū)安全門、調(diào)試使能按鈕、電子手輪、操作模式選擇開(kāi)關(guān)、速度監(jiān)控。經(jīng)過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和評(píng)價(jià)，對(duì)這臺(tái)機(jī)床的安全要求為：按下緊急停止按鈕，伺服的電源和使能必須被切斷；打開(kāi)刀庫(kù)安全門，刀架轉(zhuǎn)塔必須停止運(yùn)轉(zhuǎn)；在刀庫(kù)安全門被打開(kāi)的情況下，可以通過(guò)使能按鈕和點(diǎn)動(dòng)按鈕對(duì)刀架進(jìn)行調(diào)試；打開(kāi)工作區(qū)安全門，切斷伺服使能信號(hào)，同時(shí)監(jiān)控軸的靜止?fàn)顟B(tài)；在工作區(qū)安全門被打開(kāi)的情況下，可以通過(guò)使能按鈕和點(diǎn)動(dòng)按鈕的組合操作或使用電子手輪，對(duì)主軸、X軸、Y軸、Z軸進(jìn)行限速調(diào)試，同時(shí)使用速度監(jiān)控模塊監(jiān)控旋轉(zhuǎn)軸或線性軸的超速狀態(tài)。可以發(fā)現(xiàn)，這臺(tái)數(shù)控機(jī)床的安全功能較多，且各個(gè)安全功能之間具有復(fù)雜的邏輯關(guān)系。如果使用單個(gè)安全繼電器進(jìn)行控制的話，會(huì)導(dǎo)致接線復(fù)雜、成本高、故障診斷困難等諸多問(wèn)題。為此，Pilz推出了PNOZmulti模塊化的安全繼電器，可以對(duì)這個(gè)應(yīng)用提供一個(gè)高性價(jià)比、完美的安全解決方案。
PNOZmulti 是一個(gè)多功能、可自由配置的模塊化安全系統(tǒng)。與其他PNOZ安全繼電器不同，PNOZmulti的安全電路可在個(gè)人電腦上使用圖形配置工具輕松生成。PNOZmulti由一個(gè)PNOZ m0（1/2）p基礎(chǔ)模塊和若干個(gè)擴(kuò)展模塊組成。基礎(chǔ)模塊可單獨(dú)使用，包括20個(gè)可連接急停按鈕、安全門、雙手控制器等所有安全功能的輸入點(diǎn)；4個(gè)2A容量的半導(dǎo)體安全輸出；2個(gè)繼電器安全輸出；一個(gè)輔助非安全輸出以及4個(gè)測(cè)試脈沖輸出。可以使用擴(kuò)展模塊來(lái)達(dá)到增加輸入輸出點(diǎn)、速度監(jiān)視、現(xiàn)場(chǎng)總線連接的功能。通過(guò)基礎(chǔ)模塊上的RS232接口可以直接向PNOZmulti寫(xiě)入程序，或使用讀卡器向SIM智能卡寫(xiě)入程序后插入PNOZmulti運(yùn)行。
PNOZmulti有以下特點(diǎn)：
1. 模塊化的結(jié)構(gòu)，使用靈活
PNOZmulti已經(jīng)有了3個(gè)版本的基礎(chǔ)模塊，PNOZm0p、PNOZm1p和PNOZm2p。PNOZm0p不可擴(kuò)展輸入輸出模塊，但可以擴(kuò)展通訊模塊；PNOZm1p可以擴(kuò)展輸入輸出模塊和通訊模塊；PNOZm2p是專為壓機(jī)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)模塊。
2. 可編程，操作簡(jiǎn)單易懂，無(wú)需特殊的編程知識(shí)
PNOZmulti 采用圖形配置工具PNOZmulti Configurator 進(jìn)行編程，從而達(dá)到多配置而少配線。PNOZmulti Configurator有多種語(yǔ)言版本，包括有中文，德語(yǔ), 英語(yǔ), 西班牙語(yǔ), 法語(yǔ), 意大利語(yǔ), 日語(yǔ)。通過(guò)PNOZmutli Configurator，只需要使用鼠標(biāo)拖拉，就可以迅速完成一個(gè)安全電路，縮短了設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)周期。每一個(gè)基礎(chǔ)模塊需要使用一塊SIM卡，用于存放程序。可以通過(guò)兩種方式將程序下載至基礎(chǔ)模塊。可以通過(guò)讀卡器，將程序下載至SIM卡；可以通過(guò)串行電纜和基礎(chǔ)模塊上的RS232串口，將程序下載至基礎(chǔ)模塊。此配置工具的最新版本為5.0.0。
3. 強(qiáng)大的診斷功能
可以通過(guò)以下方式進(jìn)行故障診斷：
a） 每一輸入輸出點(diǎn)都帶有LED指示燈
b） 可以通過(guò)串行電纜和基礎(chǔ)模塊上的RS232串口，執(zhí)行動(dòng)態(tài)程序顯示功能，用于故障診斷和設(shè)備調(diào)試
c） 可以通過(guò)故障堆棧信息，迅速判斷故障
d） 可以通過(guò)診斷字，判斷各個(gè)功能塊的狀態(tài)
e） 可以與PMImicro Diag配合使用，通過(guò)人機(jī)界面，獲得可視化的診斷信息
4. 可進(jìn)行安全速度監(jiān)控
PNOZmulti 可以擴(kuò)展PNOZms1p或PNOZms2p，通過(guò)增量型編碼器或接近開(kāi)關(guān)，進(jìn)行安全速度監(jiān)控，根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到安全等級(jí)3級(jí)。可以通過(guò)PNOZmsi1p...PNOZmsi4p適配器，用于連接Siemens或Haidenhain的驅(qū)動(dòng)，以獲得增量型編碼器的信號(hào)。
5. 可控制普通標(biāo)準(zhǔn)功能
PNOZmulti可以控制普通標(biāo)準(zhǔn)功能。通過(guò)PNOZmi2p和PNOZmc1p，可以控制普通標(biāo)準(zhǔn)功能，諸如起動(dòng)按鈕、復(fù)位按鈕，或進(jìn)行狀態(tài)信號(hào)輸出；可以通過(guò)普通標(biāo)準(zhǔn)總線，如Profibus、DeviceNet、CANopen、CC-Link進(jìn)行非安全狀態(tài)信息的通訊。
所以，使用PNOZmulti就可以輕松的完成這臺(tái)中型復(fù)雜的數(shù)控機(jī)床的安全功能控制。設(shè)計(jì)人員只需要把輸入和輸出分別接入PNOZmulti，然后使用PNOZmulti Configutaor 來(lái)完成這些輸入和輸出之間的邏輯關(guān)系。這樣，不僅縮短了設(shè)計(jì)人員的開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)也降低了成本。
Pilz 的安全產(chǎn)品在機(jī)床行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，無(wú)論是國(guó)外的Gildemeister、STAMA、HELLER，還是國(guó)內(nèi)的沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)、大連機(jī)床、上海重型機(jī)床等知名機(jī)床生產(chǎn)商，Pilz都能夠根據(jù)客戶的不同要求，提供合理的、高性價(jià)比的解決方案。