基于機(jī)器人的機(jī)床安全PLC控制

顧紅光

沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 遼寧沈陽 110142

1 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機(jī)床的傳統(tǒng)加工生產(chǎn)方式向機(jī)器人自動上下料及采用自動生產(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，從中長期考慮能減輕企業(yè)的運(yùn)營成本，因此大部分企業(yè)訂購機(jī)床時(shí)都要求配置機(jī)器人自動上下料功能，也有很多企業(yè)對現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行增加機(jī)器人的改造升級。對于制造業(yè)來說，機(jī)器替代人是大勢所趨，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。

2 機(jī)器人上下料順序

自動化加工過程中，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)床自動請求上料循環(huán)。

加工時(shí)，操作人員只需要按下機(jī)床啟動按鈕，機(jī)床就會發(fā)出“上料請求”信號，同時(shí)機(jī)器人檢測機(jī)床是否處于安全位置，如機(jī)床處于安全位置且接到“上料請求”信號，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，會向機(jī)床發(fā)出“上料完成”信號，機(jī)床收到“上料完成”信號后夾緊夾具并關(guān)閉防護(hù)門，開始自動加工。當(dāng)機(jī)床加工完成后，自動打開夾具和防護(hù)門，請求機(jī)器人下料，下料完成后再請求機(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

3 幾種常見問題及分析

（1）問題一 機(jī)床發(fā)過上料請求信號，但機(jī)器人無動作，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。

執(zhí)行機(jī)器人上料的機(jī)床加工程序如下。

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“上料請求”M80前是“夾具松開”及“防護(hù)門開”指令，這兩個(gè)動作都可能發(fā)生瞬間波動。夾具松開信號有些是通過壓力繼電器檢測，當(dāng)壓力不穩(wěn)時(shí)會有瞬間的0、1波動，防護(hù)門一般都是氣動控制，開門到位后也不是很穩(wěn)，會造成開關(guān)的瞬間0、1變化，這兩個(gè)信號都到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)镸碼為脈沖信號，只發(fā)出一個(gè)脈沖，所以如果在發(fā)出脈沖“上料請求”信號后沒能自鎖完成或自鎖后又被瞬間波動拉斷，就會導(dǎo)致機(jī)器人無法接收到“上料請求”信號，而機(jī)床也無法再次發(fā)出此信號。

（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)器人不會有動作，其實(shí)，當(dāng)機(jī)器人調(diào)用失效后，F(xiàn)C100塊即失效，再復(fù)位也不執(zhí)行，已經(jīng)置位的機(jī)器人請求上料信號也不能復(fù)位，此時(shí)機(jī)器人還會給機(jī)床上料，會造成非常嚴(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，這種情況對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)床的上料請求M80.7及機(jī)床安全M80.6兩個(gè)信號來判斷是否進(jìn)行上料動作，當(dāng)只有一個(gè)信號時(shí)機(jī)床不動作。此種方式會導(dǎo)致當(dāng)機(jī)床發(fā)出兩個(gè)信號且機(jī)器人開始動作后，突然有信號不滿足條件時(shí)，機(jī)床安全M80.6信號斷開，機(jī)器人就會停止動作，而當(dāng)機(jī)床安全M80.6信號又接通時(shí)機(jī)器人就會繼續(xù)動作，這時(shí)如果有人員在操作或維修機(jī)床就會非常危險(xiǎn)。此種情況也是非常容易發(fā)生的，因?yàn)閵A具信號不管是用壓力繼電器還是用開關(guān)檢測都有發(fā)生錯(cuò)誤的可能，液壓系統(tǒng)容易波動會使壓力繼電器不穩(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。

（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，此時(shí)機(jī)床和機(jī)器人相撞都會受到損傷，出現(xiàn)此種情況可能是機(jī)器人誤發(fā)“上料完成”信號或“上料完成”信號的線路出現(xiàn)故障。

4 針對機(jī)器人的機(jī)床安全PLC程序

針對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)出請求信號，另外最好給機(jī)器人兩個(gè)信號，包括一個(gè)“上料請求”和一個(gè)“機(jī)床安全”信號。“上料請求”信號只加入一些必要的信號，如“急?！薄皬?fù)位”“機(jī)器人生效”等，而一些可能發(fā)生瞬間波動的信號作為“機(jī)床安全”信號給機(jī)器人。機(jī)器人上料的時(shí)候要同時(shí)判斷兩個(gè)信號來進(jìn)行動作，這樣就避免了機(jī)床“上料請求”信號被瞬間波動信號拉斷的可能。如果機(jī)床I/O地址有限，也可把兩個(gè)信號串在一起給機(jī)器人，但是一定要對“安全信號”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”信號給機(jī)床，“安全區(qū)域”信號正常時(shí)為1，只要“安全區(qū)域”信號變?yōu)?，機(jī)床就會停止動作。當(dāng)機(jī)床收到機(jī)器人的“上料完成”信號時(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)床動作的可能。

5 結(jié)束語

本文中的PLC程序在用戶現(xiàn)場已經(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)營成本。