基于机器人的机床安全PLC控制

主要介绍机床安全PLC程序控制在自动化生产线和机器人上下料机床中的应用，以防止机器人等自动化设备对机床或操作人员造成意外伤害。

前言

现在制造业的人工成本不断增加，大部分企业都在逐渐从传统的手工操作单台机床的加工模式转变为机器人和自动化生产线自动上下料，既降低了人员成本，又提高了加工效率，降低了产品的废品率。从中长期来看，可以降低企业的运营成本。因此，大部分企业在订购机床时都要求配置机器人的自动上下料功能，也有不少企业通过增加机器人对现有设备进行了升级。对于制造业来说，机器代替人是大势所趋，但同时，机床必须要有PLC程序很好的控制，才能保证机器人能够安全稳定的生产[1，2]。在机器人参与制造的过程中，事故也时有发生，可能造成设备损坏和停机，甚至造成人员伤亡。因此，对于机床和机器人的程序控制是非常重要的。本文是作者长期调试机床和机器人后总结出来的安全控制方案，避免了各种安全隐患，为企业提供了安全可靠的方案。

机器人装载和卸载顺序

在自动化过程中，机器人的上下料顺序应该是:机床准备好(打开防护门，松开夹具，各轴处于安全位置)→机床请求机器人上料→机器人上料→机器人完成上料→机床进行自动加工→机床完成加工→机器人完成上料→机床自动请求上料循环。

加工时，操作者只需按下机床的启动按钮，机床就会发出“进给请求”信号。同时，机器人会检测机床是否处于安全位置。如果机床处于安全位置，收到“进给请求”信号，机器人就会进给。当机器人完成装载并完全离开机床时，它将向机床发送“装载完成”信号。机床收到“加载完成”信号后，夹紧夹具，关闭防护门，开始自动加工。机床加工完毕后，夹具和防护门自动打开请求机器人进给，然后请求机器人进给，以便进行下一个循环的加工。PLC与机器人机床数控系统的连接如图1 [3]所示。

几个常见问题及分析

(1)问题1:机床发出进给请求信号，但机器人没有动作，导致处于停止等待进给的状态。

这种情况是前期调试机器人和自动化生产线的人经常犯的编程错误。错误的PLC程序如下。

这种PLC编程在执行第一个周期的时候没有问题，但是从第二个周期开始，机器人可能会停止送料。这是因为在执行机器人的“送料请求”M80之前，给出了“夹钳松开”和“保护门打开”的指令，这两个动作可能会瞬间波动。一些夹钳释放信号由压力继电器检测。压力不稳定时，会有0和1的瞬间波动。防护门一般都是气动控制，开门到位时不太稳定，会造成0和1的瞬间变化。直到这两个信号为1，程序才能继续执行。执行M80时，由于M代码是脉冲信号，只发出一个脉冲，所以如果发出脉冲“进给请求”信号后不能完成自锁。

(2)问题2:机床不在安全位置，但机器人给机床进给。这种情况极其危险，很容易造成人身伤害或对机床和机器人的损坏。有许多编程错误会导致这种现象。

1)机床通过参数或按钮调用程序块的方式控制机器人生效并失败，很可能发生这种事故。PLC程序如下。

在这种编程方法中，机器人被调用生效，执行机器人进给指令后，在机器人进给完成前，机器人会被调整到无效状态，然后复位操作机床。此时操作员认为机器人呼叫失败，机器人不会行动。实际上，当机器人调用失败时，FC100块会失败，不会执行复位，设置的机器人请求进给信号无法复位。这个时候机器人会给机床进刀，会造成非常严重的后果。

2)机器人在送料过程中突然停止，操作人员去维修时机器人突然启动，对操作人员来说也是非常危险的。PLC程序如下。

在这种控制模式下，机器人可以通过机床进给请求M80.7和机床安全M80.6两个信号来判断是否进给，只有一个信号时，机床不会移动。这种方法会在机床发出两个信号，机器人开始移动时，使机器人停止。当信号突然不满足条件时，机床安全M80.6信号断开，当机床安全M80.6信号重新接通时，机器人将继续运动。这时，如果有人在操作或修理机床，就会非常危险。这种情况也是很容易发生的，因为无论是压力继电器还是开关检测到的夹紧信号，都有出错的可能。液压系统容易出现波动，会使压力继电器不稳定，夹钳开关很可能受到加工切屑的干扰而误发信号。

(3)问题3:机器人进给机床时，机床突然启动，机床与机器人碰撞会造成损坏。这可能是由于机器人错误地发送“进料完成”信号或“进料完成”信号的线路故障。

机器人的机床安全PLC程序

针对上述一些典型问题，机床PLC应用于机器人的安全控制逻辑总结如下。

1)不要通过机床和在线工作的机器人的按钮或参数来调用机器人控制的程序块是否有效。调用机器人程序的块应该总是有效的，在程序块中控制机器人是否有效，如下。

2)请求机器人上下料时尽量不要使用S和R指令，而是通过线圈自锁的方式向机器人发出请求信号。另外，最好给机器人两个信号，包括一个“装载请求”和一个“机床安全”信号。只在“加载请求”的信号中加入一些必要的信号，如“急停”、“复位”、“机器人生效”，一些可能瞬间波动的信号作为“机床安全”信号给机器人。机器人在进给时，要同时判断两个信号来动作，这样就避免了机床的“进给请求”信号被瞬间波动信号拉断的可能。如果机床的I/O地址有限，也可以把两个信号串在一起给机器人，但是“安全信号”必须做防抖处理。如下。

3)机器人必须向机床发出“安全区域”信号。“安全区”信号正常时，为1。只要“安全区域”信号变为0，机床就会停止。当机床接收到机器人发出的“进给完成”信号时，还要判断“安全区域”是否为1，从而避免机器人在机床内时机床移动的可能。

结束语

本文的PLC程序已经在用户现场安全运行了两年，没有发生任何安全事故。该方案适用于应用机器人、桁架机械手等各类自动化生产线设备，极大地保证了设备和操作人员的安全，提高了企业的生产效率，降低了运营成本。