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《制造技术与机床》杂志创刊于1951年，是我国机械工业科技期刊中创刊早、发行量大、影响面广的刊物之一，拥有广泛、专业的读者群体。本刊属中文核心期刊，中国科技论文统计用刊和《中国学术期刊文摘》摘录用期刊。 数控机床工作模式符合标准的应用研究 现今数控机床的发展，为追求更高效率的目的，要求机床自动化程度更高、功能更强大、进给/主轴速度更快，同时，对机床的安全要求更加严苛，并且数控机床的安全验证已趋于作为机床检验的基本要求。随着相关机械安全的标准或修订标准的发布和实施，清晰明确地提出了相关安全的定性定量的技术条件，在数控机床的安全问题贯穿了其生命周期的全过程中，数控机床设计和研制阶段，是确定其安全性的重要阶段，其中，数控机床的工作模式的设置和监控是解决数控机床安全问题的关键点之一。 在各类数控机床的每一种工作模式下，通过分析研究人员进行的所有操作和相关安全的标准中的技术内容，数控机床可由其工作模式作为基础来划分和解决基础安全技术控制问题，即在此基础上使能其相应的安全功能，可充分确保数控机床操作方式控制的安全性。数控机床工作模式是指所设计的机床用于几种有着不同保护措施和/或工作程序要求的控制和操作模式，是安全相关的模式设定，不同于数控系统为实现控制功能所设置的操作方式。本文结合机械电气安全标准和应用实践，详细阐述了数控机床工作模式的设置和监控，以及涉及机床危险源的相关内容，以期实际设计应用达到数控机床电气安全的基础技术条件。 1 数控机床工作模式说明 1.1 数控机床工作模式概念辨识 在机械安全的国家标准(如GB/T15706.1/2-2007、GB/T16855.1/2-2008和GB5226.1-2008)中，都提到一个机床安全工作模式的概念。例如，GB/T15706.2-2007第4章提到的“控制和操作模式的选择”内容描述;GB5226.1-2008(以下简称GB5226.1)第9章提到的“工作方式(operatingmode)”内容描述;以及产品标准ISO23125–2010第3章提到的“操作模式(modeofoperation)”相关内容。通过分析理解这些表述的安全概念，结合机床的实际控制应用，可暂用“工作模式(workingmode)”来定义，其含义表述了机床首先应在一种或几种有着不同保护措施和/或控制程序要求的模式下被使用，根据机床实际风险评估或已有产品标准定义的安全性能等级要求，释放、限定或禁止机床运动部件致动设备(机械致动机构)的能量或功能输出，是一种从本质上避免危险产生的基础技术条件，应属于机床的一种安全功能，即安全相关的机床模式设定功能。 一般来讲，数控机床的控制系统都定义了几种操作方式，其主要操作方式有自动方式和手动方式，有为便于加工程序的创建、修改和存储等功能的编辑方式，还有为便于单/多段程序的运行或测试的MDI方式等，这些主要按机床控制系统操作功能的需求而划分的，有别于按机床安全要求划分的机床工作模式。在实际应用中，首先是要满足机床安全要求，即在某一种机床工作模式下，结合机床操作的便利性，机床控制系统可以进行多种操作方式切换和控制机床。 机械安全相关标准中，由于对机床安全工作模式存在相同含义的不同表述，但在其定义和术语中未有专门提出和解释，为了统一其概念，和区别于数控系统操作方式的概念的目的，可用“工作模式(workingmode)”来定义。这样，使用“工作模式”替换上文提到的“控制和操作模式(controlandoperatingmode)”、“工作方式(operatingmode)”、“操作模式(modeofoperation)”，便于相关安全标准的理解和实际应用。 1.2 数控机床工作模式在标准中的规定 数控机床工作模式的设置和监控属于机床电气安全设计问题，在数控机床电气设计和研制过程中，应采用本质安全的设计方法，使得机床自动阻止误操作或误操作不会导致事故发生;或者，即使发生故障时，机床还能暂时正常工作或自动转变为安全状态。同样，机械电气安全标准GB5226.1中的第9.2.3条款，除要规定了工作模式的选择器件和指示要求，以及模式选择不应引发机械运动和避免机床误动作危险要求外，还规定了在设置的工作模式下应执行的相关安全功能和/或安全防护。 从标准GB5226.1总体看，主要规范了防止电击、火灾导致的人员伤害的通用技术要求，在其第9章主要侧重规范了电气控制功能相关的通用安全要求。机床工作模式的设置当然必须符合这些要求，对于数控机床工作模式的设置，还涉及到功能安全问题，参照安全评估和相关标准，可确定数控机床工作模式安全功能所要求的安全性能等级(PLr)为C级。这样，在所设置的数控机床工作模式下，不但安全实现了控制系统释放、限定或禁止数控机床致动机构能量或功能输出的监控功能，而且从本质上保证了机床安全。 1.3 数控机床的工作模式及其基本安全要求 对于功能种类各异的数控机床，划分和依据其不同工作模式的安全保护措施，对数控机床进行操作和维护的人员，为避免或降低预期的危险，具有现实意义。根据相关标准和应用实践，数控机床工作模式可分为：准备模式、运行模式和调整模式。对于各种类型的数控机床，这3种机床模式基本涵盖了人员使用数控机床时，限定机床处于安全的3种状态。 一般来讲，数控机床在空间上分为“工作区”和“操作区”，机床通电运行时，人员在操作区活动，基本是安全的;人员如果通过安全防护进入机床工作区，就存在受伤害的风险。为避免机床存在的挤压、剪切、切割或切断、缠绕、引入或卷入、冲击、刺伤或扎伤等危险造成的人员伤害，这三种不同的工作模式，为操作人员预设了数控机床可控的使用范围和限定条件，结合应执行的其他相关安全功能和/或安全防护，使数控机床的残余风险达到可接受的程度。其详细定义如下所示： (1)准备模式：数控机床只能在限定的进给速度和主轴速度下工作，且运动部件只能独立分时启动;在相关安全防护打开时，禁止使能或切断致动动力。此模式一般用于数控机床加工准备/完工清理工作，例如：加工程序的手动编辑、修改、传输、模拟测试和存储等;刀具、卡具、工装和零件的手动装/卸和校准测量等。在相关安全防护关闭时，依据机床功能，还可实现低速单轴进给的加工任务，以及“一键式”停止进给运动等简单的加工功能。 (2)运行模式：数控机床使能/释放所有自动运行功能(主要是加工程序运行)，在相关安全防护打开时，禁止启动自动运行功能，或在自动加工程序的运行时，禁止相关安全防护打开的使能操作。对于数控机床自动加工程序运行条件下的手动操作插入功能(如刀具破损时的手动刀具更换功能，调整切削余量的手轮进给量叠加功能等)，需专门的安全功能评估和安全控制措施。此模式就用于数控机床的高效自动加工运行。 (3)调整模式：数控机床只能在限定的进给速度和主轴速度下工作，可使能/释放必要的自动运行功能;在相关安全防护打开时，可禁止使能或切断致动动力和相关功能。此模式一般用于数控机床的功能调试和机床的维护/维修，如机床部件装配、几何精度调整、电气控制部件的监控调整、驱动优化和相关机床试验等工作。 2 数控机床工作模式实际应用 2.1 数控机床的使用现状 普通数控机床和数控加工中心：这类机床的结构基本由2～5个伺服进给/主轴运动部件组成，或附加刀库和半自动工件装卸机构装置等。一般，数控系统只有一个操作方式组(一个或几个通道按相同的系统操作方式来分组，相同操作方式下的通道，称为一个操作方式组，一台数控机床可以有一个或多个操作方式组)和一个通道(在数控系统中，具有自己单独的控制轴组，以及独立的可执行NC程序的系统控制模块，一套数控系统可以具备多个通道控制)，机床只完成单一的铣削、车削或磨削等工艺的加工任务。这类机床，国内机床制造厂商基本没提供对数控机床工作模式的独立设置，同时，对于安全相关的控制功能，国产数控系统只能有限支持。对于使用国产数控系统的机床，其安全功能的实现，除必要的系统监控和互锁功能外，还需加装危险标识和加强人员专业安全技能培训来达到，同样，即使使用国外主流数控系统的国产机床，其系统安全功能在实际的设计应用也很有限。由此，现状需要加强普通数控机床功能安全研究和应用。 数控复合加工中心和数控加工生产线：这类设备的结构基本由6个以上伺服进给/主轴运动部件组成，可能配置了一个或多个刀具和附件头的自动交换装置，配置自动工件装卸装置和物流控制系统等。数控系统一般具有一个或多操作方式组和一个或多个通道，机床可完成铣削、车削或磨削等多个工艺的全部或大部分的加工任务。这类设备，只有少部分由国内机床制造厂商供应，大部分还依赖进口。按国外机械指令要求，数控机床基本配置了工作模式的设置。从数控机床实行的安全标准和使用数控系统安全集成功能的效果来看，其不但可简化机床电气硬件回路，增强软件安全可靠性，而且达到了数控机床所需的所有安全性能等级。当然，也会带来了机床成本的适当增加。由此，现状需加强机床电气安全的控制功能研究，充分理解相关机械安全标准，消化吸收国外数控机床先进的设计方法。 2.2 合理的数控机床工作模式设置 数控机床工作模式的设置，可在数控机床电气设计和研制阶段，根据机床安全评估所确定的限定参数和控制功能，确定所设计机床各个工作模式下的各项安全保护措施和控制程序，同时应充分考虑机床的使用效率。 参照已有实例，在进行数控机床电气设计时，首先确认数控系统具备安全集成功能;其次，在机床操作面板上设置数控机床工作模式开关和状态指示灯;电气控制回路按安全性能等级C的类别;控制软件应按功能安全要求处理。这样，基本可实现数控机床工作模式的安全功能。其中，需重点参照表1规范的相关安全功能和/或安全防护，以及参考限定参数。由此，数控机床工作模式的设置不仅确定了机床的安全操作环境，而且方便了机床的加工管理。 3 结语 数控机床工作模式的安全功能是保障机床操作人员的基本安全技术条件之一，由于是涉及功能安全，不但对数控系统提出了安全集成功能的需求，而且对数控机床的设计和研发提出了一系列安全要求。虽然功能安全相关的国际标准和欧盟最近几年实施的机械指令对机床安全的要求越来越严苛，对国内出口型机床制造商造成了一些的影响，但是相关安全的控制技术和先进的设计理念应该受到机床行业内的重视，只有深入研究相关国内国外技术标准和机床相关的数控技术，勇于技术创新，落实技术应用，才可不断地提升国产数控机床和国产数控系统的技术水平。 作者：何江涛 |
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