安全产品在数控机床上的应用

现代的数控机床逐步向高速、高效、高精、复合等功能的方向发展。在一台高速和复杂的机床中保证高效生产，安全可靠性是一个必要条件。所以，我们评价一台机床的优劣，不仅需要看其功能有多强大，同时也需要关注其安全性能有多高。提高数控机床的安全性能，既可以减少生产事故、保护人员和机器安全，提高自身产品附加值，也能够突破西方国家的技术壁垒、增加出口机会。
欧盟作为世界上最大的自由经济贸易区，为了建立统一的欧洲市场，推出了新方法指令，以清除技术壁垒。欧盟所颁布的这些指令，针对性、系统性强，易于操作实施，因此也被欧盟外的一些国家和地区的制造商使用，除了使产品能投放市场的原因外，也是表明产品所达到的安全水平，便于销售。所以，如果要设计一台安全的数控机床，可以参照新方法指令中的机械指令98/37/EC。此外，制造商要使其产品符合指令所规定的基本要求，最好的方法就是按标准来制造产品，因为这些标准规定了实现指令所规定的基本要求的技术措施。机床行业常用的一些C类标准如下所示：
 EN 12415：2000 机床 安全 小型数控车床和车削中心
 EN 12417：2001 机床 安全 加工中心
 EN 12478: 2000 机床安全 大型数控车床和车削中心
 EN 1550：1997 机床安全 工件夹紧用卡盘设计和制造的安全要求
 EN 12717：2001 机床安全 钻床
 EN 12840：2001 机床安全 自动或无自动控制的手控车床
 EN 13128：2001 机床安全 铣床（包括镗、钻）
根据标准，首先会要求对机器进行风险评估和风险评价。在数控机床的使用中，轴的旋转或线性移动都会对操作和维修人员造成摩擦、碰撞的危险。刀库的转塔和刀具也会对操作和维修人员带来摩擦、切割的伤害。经过风险评估和评价，一台数控机床所要求的安全等级通常在3级以上。
在识别了机器的危险和风险之后，必须采用一系列的措施来降低风险。可以采用紧急停止按钮，保证在危险的情况下，机器能够快速的停止；可以采用安全门防护装置，如带闭锁的或不带闭锁的机械式插片开关，防止人员随意进入危险的区域，保证维修人员在危险区域内安全地进行操作；可以使用安全监控速度功能、调试使能按钮和电子手轮，监控机器的超速和停止状态，并且保证人员在打开安全门的情况下安全地调试机器；必须采用安全控制模块，如安全继电器或安全PLC来监控以上安全功能，避免控制模块本身的故障而导致安全功能的失效。

一台小型数控机床带有一个急停按钮、一个带闭锁的机械安全开关监视内侧安全门、一个不带闭锁的机械安全开关监视外侧安全门。经过风险评估和评价，对其的安全要求要求为：在任何一个安全功能被触发的情况下，伺服或变频器的电源以及相应的使能必须被切断，轴安全的停止运转。对此应用，根据安全功能较少的特点，我们可以选取单一安全继电器作为安全控制模块。在这里，我们选用了3个PNOZ X2.8P安全继电器和一个S1SW P停止监控继电器。PNOZ X2.8P最高安全等级可以达到4级，符合应用要求；带有3个安全常开输出触点，1个常闭辅助输出触点。每一个安全继电器控制一个安全功能。K12安全继电器控制带闭锁的机械安全开关，如图一所示。其解锁开关的信号来自S1SW P停止监控器，以确保只有在轴停止运转的条件下，内侧安全门才能够被打开。K13安全继电器控制不带闭锁的机械安全开关。K11安全继电器控制急停按钮，并且接受K12和K13传送过来的安全信号，如图三所示。此安全解决方案，成本较低、结构简单、接线清晰、故障诊断便捷，适应与4个以下安全功能的应用。

对于一台中型复杂的数控机床，通常会有以下安全功能：主紧急停止按钮、刀库紧急停止按钮、刀库和工作区安全门、调试使能按钮、电子手轮、操作模式选择开关、速度监控。经过风险评估和评价，对这台机床的安全要求为：按下紧急停止按钮，伺服的电源和使能必须被切断；打开刀库安全门，刀架转塔必须停止运转；在刀库安全门被打开的情况下，可以通过使能按钮和点动按钮对刀架进行调试；打开工作区安全门，切断伺服使能信号，同时监控轴的静止状态；在工作区安全门被打开的情况下，可以通过使能按钮和点动按钮的组合操作或使用电子手轮，对主轴、X轴、Y轴、Z轴进行限速调试，同时使用速度监控模块监控旋转轴或线性轴的超速状态。可以发现，这台数控机床的安全功能较多，且各个安全功能之间具有复杂的逻辑关系。如果使用单个安全继电器进行控制的话，会导致接线复杂、成本高、故障诊断困难等诸多问题。为此，Pilz推出了PNOZmulti模块化的安全继电器，可以对这个应用提供一个高性价比、完美的安全解决方案。

PNOZmulti 是一个多功能、可自由配置的模块化安全系统。与其他PNOZ安全继电器不同，PNOZmulti的安全电路可在个人电脑上使用图形配置工具轻松生成。PNOZmulti由一个PNOZ m0（1/2）p基础模块和若干个扩展模块组成。基础模块可单独使用，包括20个可连接急停按钮、安全门、双手控制器等所有安全功能的输入点；4个2A容量的半导体安全输出；2个继电器安全输出；一个辅助非安全输出以及4个测试脉冲输出。可以使用扩展模块来达到增加输入输出点、速度监视、现场总线连接的功能。通过基础模块上的RS232接口可以直接向PNOZmulti写入程序，或使用读卡器向SIM智能卡写入程序后插入PNOZmulti运行。
PNOZmulti有以下特点：
1. 模块化的结构，使用灵活
PNOZmulti已经有了3个版本的基础模块，PNOZm0p、PNOZm1p和PNOZm2p。PNOZm0p不可扩展输入输出模块，但可以扩展通讯模块；PNOZm1p可以扩展输入输出模块和通讯模块；PNOZm2p是专为压机开发的基础模块。

2. 可编程，操作简单易懂，无需特殊的编程知识

PNOZmulti 采用图形配置工具PNOZmulti Configurator 进行编程，从而达到多配置而少配线。PNOZmulti Configurator有多种语言版本，包括有中文，德语, 英语, 西班牙语, 法语, 意大利语, 日语。通过PNOZmutli Configurator，只需要使用鼠标拖拉，就可以迅速完成一个安全电路，缩短了设计和开发周期。每一个基础模块需要使用一块SIM卡，用于存放程序。可以通过两种方式将程序下载至基础模块。可以通过读卡器，将程序下载至SIM卡；可以通过串行电缆和基础模块上的RS232串口，将程序下载至基础模块。此配置工具的最新版本为5.0.0。

3. 强大的诊断功能
可以通过以下方式进行故障诊断：
a） 每一输入输出点都带有LED指示灯
b） 可以通过串行电缆和基础模块上的RS232串口，执行动态程序显示功能，用于故障诊断和设备调试
c） 可以通过故障堆栈信息，迅速判断故障
d） 可以通过诊断字，判断各个功能块的状态
e） 可以与PMImicro Diag配合使用，通过人机界面，获得可视化的诊断信息

4. 可进行安全速度监控
PNOZmulti 可以扩展PNOZms1p或PNOZms2p，通过增量型编码器或接近开关，进行安全速度监控，根据欧洲标准可以达到安全等级3级。可以通过PNOZmsi1p...PNOZmsi4p适配器，用于连接Siemens或Haidenhain的驱动，以获得增量型编码器的信号。

5. 可控制普通标准功能
PNOZmulti可以控制普通标准功能。通过PNOZmi2p和PNOZmc1p，可以控制普通标准功能，诸如起动按钮、复位按钮，或进行状态信号输出；可以通过普通标准总线，如Profibus、DeviceNet、CANopen、CC-Link进行非安全状态信息的通讯。

所以，使用PNOZmulti就可以轻松的完成这台中型复杂的数控机床的安全功能控制。设计人员只需要把输入和输出分别接入PNOZmulti，然后使用PNOZmulti Configutaor 来完成这些输入和输出之间的逻辑关系。这样，不仅缩短了设计人员的开发周期，同时也降低了成本。

Pilz 的安全产品在机床行业有着广泛的应用，无论是国外的Gildemeister、STAMA、HELLER，还是国内的沈阳机床集团、大连机床、上海重型机床等知名机床生产商，Pilz都能够根据客户的不同要求，提供合理的、高性价比的解决方案。