安全產品在數控機床上的應用

現代的數控機床逐步向高速、高效、高精、復合等功能的方向發展。在一臺高速和復雜的機床中保證高效生產，安全可靠性是一個必要條件。所以，我們評價一臺機床的優劣，不僅需要看其功能有多強大，同時也需要關注其安全性能有多高。提高數控機床的安全性能，既可以減少生產事故、保護人員和機器安全，提高自身產品附加值，也能夠突破西方國家的技術壁壘、增加出口機會。
歐盟作為世界上最大的自由經濟貿易區，為了建立統一的歐洲市場，推出了新方法指令，以清除技術壁壘。歐盟所頒布的這些指令，針對性、系統性強，易于操作實施，因此也被歐盟外的一些國家和地區的制造商使用，除了使產品能投放市場的原因外，也是表明產品所達到的安全水平，便于銷售。所以，如果要設計一臺安全的數控機床，可以參照新方法指令中的機械指令98/37/EC。此外，制造商要使其產品符合指令所規定的基本要求，最好的方法就是按標準來制造產品，因為這些標準規定了實現指令所規定的基本要求的技術措施。機床行業常用的一些C類標準如下所示：
 EN 12415：2000 機床 安全 小型數控車床和車削中心
 EN 12417：2001 機床 安全 加工中心
 EN 12478: 2000 機床安全 大型數控車床和車削中心
 EN 1550：1997 機床安全 工件夾緊用卡盤設計和制造的安全要求
 EN 12717：2001 機床安全 鉆床
 EN 12840：2001 機床安全 自動或無自動控制的手控車床
 EN 13128：2001 機床安全 銑床（包括鏜、鉆）
根據標準，首先會要求對機器進行風險評估和風險評價。在數控機床的使用中，軸的旋轉或線性移動都會對操作和維修人員造成摩擦、碰撞的危險。刀庫的轉塔和刀具也會對操作和維修人員帶來摩擦、切割的傷害。經過風險評估和評價，一臺數控機床所要求的安全等級通常在3級以上。
在識別了機器的危險和風險之后，必須采用一系列的措施來降低風險。可以采用緊急停止按鈕，保證在危險的情況下，機器能夠快速的停止；可以采用安全門防護裝置，如帶閉鎖的或不帶閉鎖的機械式插片開關，防止人員隨意進入危險的區域，保證維修人員在危險區域內安全地進行操作；可以使用安全監控速度功能、調試使能按鈕和電子手輪，監控機器的超速和停止狀態，并且保證人員在打開安全門的情況下安全地調試機器；必須采用安全控制模塊，如安全繼電器或安全PLC來監控以上安全功能，避免控制模塊本身的故障而導致安全功能的失效。

一臺小型數控機床帶有一個急停按鈕、一個帶閉鎖的機械安全開關監視內側安全門、一個不帶閉鎖的機械安全開關監視外側安全門。經過風險評估和評價，對其的安全要求要求為：在任何一個安全功能被觸發的情況下，伺服或變頻器的電源以及相應的使能必須被切斷，軸安全的停止運轉。對此應用，根據安全功能較少的特點，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PNOZ X2.8P安全繼電器和一個S1SW P停止監控繼電器。PNOZ X2.8P最高安全等級可以達到4級，符合應用要求；帶有3個安全常開輸出觸點，1個常閉輔助輸出觸點。每一個安全繼電器控制一個安全功能。K12安全繼電器控制帶閉鎖的機械安全開關，如圖一所示。其解鎖開關的信號來自S1SW P停止監控器，以確保只有在軸停止運轉的條件下，內側安全門才能夠被打開。K13安全繼電器控制不帶閉鎖的機械安全開關。K11安全繼電器控制急停按鈕，并且接受K12和K13傳送過來的安全信號，如圖三所示。此安全解決方案，成本較低、結構簡單、接線清晰、故障診斷便捷，適應與4個以下安全功能的應用。

對于一臺中型復雜的數控機床，通常會有以下安全功能：主緊急停止按鈕、刀庫緊急停止按鈕、刀庫和工作區安全門、調試使能按鈕、電子手輪、操作模式選擇開關、速度監控。經過風險評估和評價，對這臺機床的安全要求為：按下緊急停止按鈕，伺服的電源和使能必須被切斷；打開刀庫安全門，刀架轉塔必須停止運轉；在刀庫安全門被打開的情況下，可以通過使能按鈕和點動按鈕對刀架進行調試；打開工作區安全門，切斷伺服使能信號，同時監控軸的靜止狀態；在工作區安全門被打開的情況下，可以通過使能按鈕和點動按鈕的組合操作或使用電子手輪，對主軸、X軸、Y軸、Z軸進行限速調試，同時使用速度監控模塊監控旋轉軸或線性軸的超速狀態。可以發現，這臺數控機床的安全功能較多，且各個安全功能之間具有復雜的邏輯關系。如果使用單個安全繼電器進行控制的話，會導致接線復雜、成本高、故障診斷困難等諸多問題。為此，Pilz推出了PNOZmulti模塊化的安全繼電器，可以對這個應用提供一個高性價比、完美的安全解決方案。

PNOZmulti 是一個多功能、可自由配置的模塊化安全系統。與其他PNOZ安全繼電器不同，PNOZmulti的安全電路可在個人電腦上使用圖形配置工具輕松生成。PNOZmulti由一個PNOZ m0（1/2）p基礎模塊和若干個擴展模塊組成。基礎模塊可單獨使用，包括20個可連接急停按鈕、安全門、雙手控制器等所有安全功能的輸入點；4個2A容量的半導體安全輸出；2個繼電器安全輸出；一個輔助非安全輸出以及4個測試脈沖輸出。可以使用擴展模塊來達到增加輸入輸出點、速度監視、現場總線連接的功能。通過基礎模塊上的RS232接口可以直接向PNOZmulti寫入程序，或使用讀卡器向SIM智能卡寫入程序后插入PNOZmulti運行。
PNOZmulti有以下特點：
1. 模塊化的結構，使用靈活
PNOZmulti已經有了3個版本的基礎模塊，PNOZm0p、PNOZm1p和PNOZm2p。PNOZm0p不可擴展輸入輸出模塊，但可以擴展通訊模塊；PNOZm1p可以擴展輸入輸出模塊和通訊模塊；PNOZm2p是專為壓機開發的基礎模塊。

2. 可編程，操作簡單易懂，無需特殊的編程知識

PNOZmulti 采用圖形配置工具PNOZmulti Configurator 進行編程，從而達到多配置而少配線。PNOZmulti Configurator有多種語言版本，包括有中文，德語, 英語, 西班牙語, 法語, 意大利語, 日語。通過PNOZmutli Configurator，只需要使用鼠標拖拉，就可以迅速完成一個安全電路，縮短了設計和開發周期。每一個基礎模塊需要使用一塊SIM卡，用于存放程序。可以通過兩種方式將程序下載至基礎模塊。可以通過讀卡器，將程序下載至SIM卡；可以通過串行電纜和基礎模塊上的RS232串口，將程序下載至基礎模塊。此配置工具的最新版本為5.0.0。

3. 強大的診斷功能
可以通過以下方式進行故障診斷：
a） 每一輸入輸出點都帶有LED指示燈
b） 可以通過串行電纜和基礎模塊上的RS232串口，執行動態程序顯示功能，用于故障診斷和設備調試
c） 可以通過故障堆棧信息，迅速判斷故障
d） 可以通過診斷字，判斷各個功能塊的狀態
e） 可以與PMImicro Diag配合使用，通過人機界面，獲得可視化的診斷信息

4. 可進行安全速度監控
PNOZmulti 可以擴展PNOZms1p或PNOZms2p，通過增量型編碼器或接近開關，進行安全速度監控，根據歐洲標準可以達到安全等級3級。可以通過PNOZmsi1p...PNOZmsi4p適配器，用于連接Siemens或Haidenhain的驅動，以獲得增量型編碼器的信號。

5. 可控制普通標準功能
PNOZmulti可以控制普通標準功能。通過PNOZmi2p和PNOZmc1p，可以控制普通標準功能，諸如起動按鈕、復位按鈕，或進行狀態信號輸出；可以通過普通標準總線，如Profibus、DeviceNet、CANopen、CC-Link進行非安全狀態信息的通訊。

所以，使用PNOZmulti就可以輕松的完成這臺中型復雜的數控機床的安全功能控制。設計人員只需要把輸入和輸出分別接入PNOZmulti，然后使用PNOZmulti Configutaor 來完成這些輸入和輸出之間的邏輯關系。這樣，不僅縮短了設計人員的開發周期，同時也降低了成本。

Pilz 的安全產品在機床行業有著廣泛的應用，無論是國外的Gildemeister、STAMA、HELLER，還是國內的沈陽機床集團、大連機床、上海重型機床等知名機床生產商，Pilz都能夠根據客戶的不同要求，提供合理的、高性價比的解決方案。