数控机床系统安全功能的实现细节分析

马然

（山西机电职业技术学院 山西省长治市 046000）

数控机床已经成为现代工业生产中不可获取的一个重要组成部分，对应的安全问题，也开始得到越来越多的关注。对于数控机床而言，其安全体系呈现出多层面的特征，一方面要保证自动化，能够让机床自身及时发现问题并且停止工作，另一个方面还需要听从工作人员的指令，并且保护机床的维护和使用人员远离安全风险。在这样的环境之下，越来越多的安全技术开始涌现，而始于1956年日本的FANUC，则以其操作界面的简洁，而在应用领域中占据了一席之地。

1 FANUC结构分析

依据国际上通用的设备控制系统安全设计规范，FANUC 采用了类别3 展开工作。在这一框架体系之下，需要确保即便发生了系统错误，安全体系也可以正常运行，只有在存在多个系统错误的时候，安全功能才会失效。这样的安全体系，通常而言会设置并行的两个逻辑链路，分别会具有两个输入端和两个输出端，并且由两个相对独立的控制逻辑单元对信号展开分析和处理。但是这样的两个数据核心，其本身之间又会保持联系，形成相互之间的交叉监督。这样的结构，一方面能够确保相关信号的一致性，另一个方面则是在一个数据处理单元发生故障的时候，另一个数据处理单元可以保持系统正常工作。

从硬件结构的角度看，FANUC 硬件由几个主要部分组成，诸如CNC 控制器、伺服/主轴电机、伺服放大器、FSSB I/O 模块、MCC 及与其相关的安全门控制电路等都会包含在内。其中CNC 控制器进一步包括主CPU 和监控CPU 两个部分，其中主CPU 负责数据的处理，而监控CPU 则专门负责对安全相关的输入输出信号进行监控，其中也包括伺服电机运行的速度是否符合安全速度，以及机床的具体位置是否符合冗余模式等细节。而主轴电机的安全速度，则由CNC CPU 以及主轴驱动器CPU 进行监控和获取数据。安全相关的多路输入信号，分别通过FANUC 的串行总线和输入输出通信环路送达CNC 的两个CPU 处，展开进一步的交叉监控。具体而言，整个信息流程参见图1。

2 FANUC系统的安全功能实现

在FANUC 中，双安检体系可以在如下几个方面上给予保证：

2.1 主轴控制

图1：FANUC 信号传输与处理流程

图2：MCC 关断测试时序示意

从安全的角度看，主轴的控制主要是主轴的停止控制。对于数控机床而言，其主轴电机为电磁感应运行方式，此种电机在供电中断之后，仍然会在一段时间内保持旋转状态，这与安全的理念无疑是相悖的，因此缩短这个旋转时间，是FANUC 系统的主要价值体现。对于CNC 而言，当其检测到系统错误时会首先判断主轴是否处于可控状态之下，并且会选择对其展开控制，在其停转之后才对电源进行切断。而FANUC 则能够实现等待时间的设定控制，具体而言，可以设定两个数值，其一用于在安全功能保持激活状态的情况之下进行主轴控制，其二则用于其他情况的主轴控制。二者之间的区别，在于防护门是否处于打开状态，这决定了环境对于数控机床安全的实际需求水平。具体而言，就是由PMC 输出急停信号，包括*ESPA(G71.1)以及*ESPB(G75.1)等，并且送达NC 组件。通过此种方式来实现主轴的减速，一直到主轴完全停止之后才会断电。这种主动制动的方式，相对而言更为安全。

图3：FANUC 系统可编程安全关系到的输入输出信号

2.2 伺服电机的控制

数控机床框架之下的伺服电机即为同步电机，其电力的供给或者切断，直接关系到动态刹车等细节功能的实现。在进行安全刹车制动的过程中，首先会给电机转子断电实现能源隔离，而后绕组会消耗再生电力。除此以外，系统内置电阻会生成附加刹车作用，因此伺服电机不会出现滑坡问题。当CNC 接收到急停请求，或者发现安全隐患需要作出急停决策的时候，就会自动将速度重置为零，并且执行减速停止的操作，随后进一步切断电机电源，电机进入动态刹车停止状态。

2.3 安全输入输出信号监控

FANUC 系统会对多项与安全相关的输入输出信号进行监测，其中包括急停输入（*ESP）、防护门状态输入信号(SGD/SGD2/SGD3/SGD4)、MCC 接触器状态监控输入信号(*SMC)以及可编程安全相关输入信号(SDI00～SDI15)等。这些信号会经由不同的渠道送达I/O Link 和 FSSB 两个终端，并且交由独立的不同CPU开对其进行检查和对比，如果发现二者之间获取到的信号存在差异，则FANUC 系统会自动切换进入安全停止状态。除此以外，FANUC 系统的双安检功能还会对两个CPU 获取到的信号展开实时的对比，确定信号在一定时间段内保持一致。并且该系统功能，并不包括对防护门打开请求输入信号(ORQ /ORQ2 /ORQ3/ORQ4)、启动测试模式输入信号(OPT)、锁住防护门命令输出信号(*LGD/*LGD2/*LGD3/*LGD4)等进行冗余检查，主要是避免安全误判问题的发生。

2.4 急停功能的处理

急停功能相对而言涉及到比较多的具体情况。首先，急停信号可能会来源于工作人员，当FANUC 系统接到源于工作人员的输入信号，伺服电机即进入减速停止执行过程，主轴电机减速制动停止，在完成之后切断电源。其次，当系统接收到防护门打开请求的时候，系统的双安检功能首先对每个伺服轴和主轴的速度进行确认，首先对其运行是否符合安全速度要求进行确定，而后进一步对机床安全位置状态进行确定。如果相关条件都能够满足，则发出防护门解锁信号，允许防护门打开。如果不满足上述条件，则系统的双安检功能就会切换到安全停止状态。除此以外，在防护门处于打开状态的情况之下，双安检功能还会展开对于每一个伺服轴的相关参数展开持续的考察，确保伺服轴处于安全的范围内。一旦发现存在超出该范围的情况，双安检系统就会自动切换到安全停止状态。

2.5 MCC关断测试

电机控制中心（MCC，Motor Control Center），其主要职能在于实现对于整个电气系统的控制，其中包括配电以及设备等诸多组件。为了实现这一目标，实际工作中会将电机的多个控制单元进行压缩集成，并且实现统一供电。落实在FANUC 系统中，MCC 则扮演着数控伺服驱动器上对应的动力控制继电器的角色。在FANUC系统框架之下，每24 小时必须展开一次MCC 关断测试，以确保其性能良好，可以随时投入使用。MCC 测试会在上一次关断24 小时之后，或者系统重新启动上电的时候，在监视器上显示进行MCC关断测试的提示信息，且只有在完成MCC 关断测试之后，防护门才能打开，整个数控机床系统才能开始正常使用。对于MCC 关断测试的具体操作，可以参见图2。

2.6 FANUC系统编程安全

在FANUC 系统中，可编程安全与输入输出信号的相关功能密切相关，参见图3。

3 结论

对于FANUC 系统而言，其在数控机床安全领域的表现一直都比较稳定。在实际的生产环境之中，一个车间可能会有多个不同型号的机床，品牌和功能也必然会存在差异，对应的安全功能的实现方式必然存在不同。在这样的环境下，必须要对FANUC 系统进行妥善设置，才能实现数控机床的高效率运行，同时为相关工作人员提供更高安全保证的工作环境。