1引言
轴安全保护功能是对坐标轴范围进行的限制与保护，在FS-OiD数控系统中，安全保护功能包括运动保护与禁区保护两方面。前者用于机床出现紧急情况的停机与运动条件不满足时的运行禁止，后者可以用来防止加工过程中的碰撞与干涉。
2运动保护功能及其设定
2．1硬件保护功能
通过硬件开关和硬件线路实现的运动保护功能主要包括:①当运动轴出现超极限(超极限保护)时，通过强电控制回路与外部紧急停止信号(*ESP)进行的紧急停机;②在机床运动条件不具备时，通过信号*IT、*ITn、+MITn、－MITn进行的全部运动轴、指定的运动轴或指定运动轴的指定方向的“互锁”;③通过外部行程开关的限位信号*+Ln、*－Ln进行的硬件限位保护功能。以上保护功能均为坐标轴运动的基础条件，应在坐标轴运动前进行正确的调整与设定。
2．2行程极限的设定
超极限保护、硬件限位、软件限位的相对位置关系应按照图1所示的相对位置进行设定。一般而言，软件限位可以通过CNC的自动计算功能进行保护，因此，限位位置通常设定在硬件限位前1－2mm的位置上。坐标轴行程保护设置时需要考虑:①超极限保护生效时，应保证在机械部件产生碰撞与干涉之前，坐标轴能够紧急制动并停止，因此，动作点与坐标轴产生机械碰撞的距离最好大于紧急制动所需的减速距离;②在正常情况下，应保证在硬件起作用时，不会导致机械碰撞;③在正常情况下，应保证在软件起作用时，不会导致硬件限位保护的动作。由此可见，如果在行程限位保护到达前不对坐标轴的运动速度进行限制，必须留有较大的行程余量。因此，在实际机床设计时一般需要通过外部减速、软件预限位等措施将运动速度限制在某一较小的值上，以减小行程余量。
3软件限位功能实现及其设定
FS-OiD软件设定(存储行程检查1)的作用与硬件限位保护类似，它可以在自动运行之前通过CNC的位置检测与运动距离的自动计算进行保护。软件限位一旦生效，运动轴将自动减速并停止。FS-OiD的软件限位可以通过CNC机床参数的设定，在手动运行时生效或忽略。现将软件限位功能信号及参数设定进行分析。
3．1加工禁区
加工禁区(存储行程检测2、3)是一种附加的软件限位功能。通过加工禁区的设定，可以自动阻止刀具进入保护区，以防出现刀具与夹具(或其他部件)的碰撞与干涉。FS-OiD可以设定一个软件限位(存储行程检测1)与两个加工禁区———加工禁区1(存储行程检查2)、加工禁区2(存储行程检查3)。软件限位(存储行程检查1)用于限制运动轴的运动范围，规定设定区域的外侧为运动禁止区;软件限位的位置需要参数进行设定，可以设定两组不同的软件限位数据:行程极限Ⅰ与行程极限Ⅱ，两者可通过来自PMC程序的控制信号进行转换。当刀具进入软件位区域时，CNC显示OT报警ALM500、ALM501。加工禁区1(存储行程检查2)的禁止区域可通过参数选择内侧作为禁区，即可以通过参数进行设定，也可以通过加工程序中的指令G22、G23在程序中进行改动与撤销。当刀具进入加工禁区1时，CNC显示报警ALM504、ALM505。软件限位与加工禁区2的生效与撤销可通过PMC的控制信号(ＲL-SOT)控制。刀具移动超过存储行程检查范围时，系统显示报警且刀具减速停止。刀具进入禁止区域产生报警时，刀具只能按进入时的相反方向运动。用参数NO．1320，NO．1321或NO．1326，NO．1327设定运动的边界范围。限制范围外的区域为禁止区域。机床生产厂通常将此区域设定为最大行程。用于行程检查的参数可用信号改变，可改变行程检查方法的参数如下:①手动操作时。将参数BFA(NO．1300#7)和OFF(NO．1301#5)置1，可使在刀具移动到禁止区的边界时，系统发生报警并停止机床的移动;②手动操作时，将参数NAL(NO．1300#1)置1，可使达到行程极限信号+OT1－+OT4和－OT1－－OT4(F24和F26)输出，但并不检查报警条件。将参数OF1(NO．1301#4)设为1，可在机床轴进入移动范围时，不用按复位按钮便自动解除报警。
3．2与安全保护功能相关信号
存储行程检查选择信号EXLM(G007#6)用于选择行程检查1－I(参数NO．1320和NO．1321)或行程检查1－II(参数NO．1326和NO．1327)。EX-LM信号为1时，控制单元按参数NO．1326和NO．1327而不是参数NO．1320和NO．1321进行行程极限1的检查;若参数NO．1301#0(DLM)设为1，EX-LM信号无效。轴向行程极限切换信号+EXL1－+EXL4(G104#0－#3)，－EXL1－－EXL4(G105#0－#3)，用于切换各轴向的行程极限1－I(参数NO．1320和NO．1321)或行程检查1－II(参数NO．1326和NO．1327)。若信号DLM(参数NO．1301#0)为1，轴向行程极限切换信号也为1时，控制单元动作如下:①+EXL1－+EXL4(G104)用参数NO．1326而不是参数NO．1320检查行程极限1的正向;②－EXL1－－EXL4(G105)用参数NO．1327而不是参数NO．1321检查行程极限1的负向。行程检查外部设定信号+LM1－+LM4(G110#0－#3)和－LM1－－LM4(G112#0－#3)(M系列)。改变行程检查参数NO．1320和NO．1321的参数值。该信号为1时，控制单元将该信号输入时的机床坐标值射入行程检查参数NO．1320和NO．1321中。行程检查解除信号ＲLSOT(G007#7)(M系列)用于选择是否执行行程极限1的检查。当ＲLSOT=1时，不执行行程极限1的检查，到达存储行程极限信号为+OT1－+OT4(F124#0－#3)和－OT1－－OT4(F126#0－#3)(M系列)。该信号指出刀具将进入行程极限1的进去每一轴的每一方向都有一个行程极限的达到信号，信号前的+/－号表示轴的方向，后面的数字表示轴号。若刀具移动到行程检查边界外，相应的轴向信号即为1。将刀具反向移动到边界内(运动区)时，该信号即变为0。当参数NAL(NO．1300#1)为1时，行程极限达到信号输出;该信号为0时，不输出。若参数BFA(NO．1300#7)为1时，刀具不会移动到边界之外，即使发出使刀具移动到边界外的命令，刀具仍停在边界内。或当参数OTF(NO．1301#5)为1时，停在边界上。此外，此时的行程极限到达信号置1。
3．3与安全保护功能相关参数设定
(1)参数NO．1300，位型，NAL(#1)指出是否发出行程检查/报警。当NAL=0时，发出警报;当NAL=1时，不发出警报。输出到达行程极限信号F124或F126(正常运行时);LMS(#2)指定存储行程极限检查1切换信号是否有效。当LMS=0时，无效;当LMS=1时，有效;LZＲ(#6)指定上电至手动返回参考点期间是否执行存储行程1检查。当LZＲ=0时，执行行程1检查;当LZＲ=1时，不执行行程1检查。使用绝对位置检测器时，上电时已经设定了参考点。因此上电后立即执行存储行程检查，而不管这一参数是否设定。BFA(#7)设定超出存储行程1，3的指令时，何时发出警报。当BFA=0时，超程后报警;当BFA=1时，超程前报警。(2)参数NO．1301，位型，DLM(#0)指定各轴向存储行程极限的切换信号+EXL1－EXL4(G104)和－EXL1－－EXL4(G105)是否有效。当DLM=0时，无效;当DLM=1时，有效。但此时，行程极限切换信号EXLM(G007#6)无效;OF1(#4)指定存储行程极限检查1报警后，刀具已移动到轴的可移动区时报警是否取消。当OF1=0，复位之前不取消报警;当OF1=1时，OT(硬超程报警)立即取消。(3)参数NO．1320，双字节型，设定存储行程检查1的各轴正方向行程坐标值。参数NO．1321，双字节型，设定存储行程检查1的各轴负方向行程坐标值。参数设定范围之外的区域为禁止区域，直径编程的轴，必须设定直径值。当参数设定成:参数NO．1320＜参数NO．1321时，行程变为无限大。对于行程设定为无限大的轴的运动，仅增量指令有效。如果使用了绝对值指令，绝对值寄存器将会溢出，不能正常运动。(4)参数NO．1326，双字节型，设定存储行程检查1的各轴正方向行程坐标值II。(5)参数NO．1327，双字节型，设定存储行程检查1的各轴负方向行程坐标值II。参数NO．1326和NO．1327设定值之外的区域为禁止区域。仅当参数NO．1300#2(LMS)置为1时，EXLM信号才有效。在设定检查极限时，如果设定的两点值相同，则整个行程区域均被禁止。
4卡盘与尾座安全保护功能实现
用该功能可提前检查刀具是否会与卡盘或尾架发生干涉，以避免损坏机床。其原理是用专门的设定画面，根据卡盘或尾架的形状指定一个区域，使刀尖不能进入该区域(禁止区域)。分别对卡盘与尾座安全保护功能实现进行阐述。
4．1卡盘安全保护
卡盘保护是FS-OiD的标准功能，其作用与加工禁区类似。FS-OiD已经对卡盘的基本形状进行了规定，使用时只需要在参数中生效保护功能，并且输入相应的位置数据即可。卡盘的外形对称于Z轴。CX、CZ指定卡盘在工件坐标系中的坐标位置(点A)，不要使用机床坐标系。根据相应的轴是直径编程还是半径编程，按直径或半径尺寸指定坐标值。根据需要，卡盘保护可选择内卡爪盘与外卡爪盘两种。卡盘保护对应的参数设定如图2所示。L、L1、W、W1定义卡盘的形状尺寸。W和W1用半径指定。①参数NO．1330，字节型，指定卡盘的外形TY。当TY=0时，用内表面夹持工件的卡盘;当TY=1时，用外表面夹持工件的卡盘;②参数NO．1331，双字轴型，指定卡盘的卡爪尺寸(L);③参数NO．1332，双字轴型，指定卡盘的卡爪尺寸(W);④参数NO．1333，双字轴型，指定夹持工件的卡爪尺寸(L1);⑤参数NO．1334，双字轴型，指定夹持工件的卡爪尺寸(W1);⑥参数NO．1335，指定卡盘的X坐标(CX);⑦参数NO．1336，指定卡盘的Z坐标(CZ)。
4．2尾座安全保护
尾座保护同样是FS-OiTD的标准功能，作用与卡盘保护类似。FS-OiTD已经对尾座的基本形状进行了规定，使用时只需要在参数中生效保护功能，并且输入相应的位置数据即可。尾座屏障的选择信号*TBS(G060#7)指定使尾座屏障生效或无效。当该信号为1时，尾座屏障无效。即使程序中指令了G22(执行存储行程检查)，同样对尾座屏障无效，只对卡盘屏障有效。当该信号为0时，若指令了G22，则尾座屏障和卡盘屏障均有效。当指令了G23(不执行存储行程检查)时，无论*TSB信号的状态如何，尾座屏障和卡盘屏障均无效;但指令了G22时，可用该信号置1使尾座屏障无效。每当在加工中用M代码使尾座顶住工件或脱开工件时，用该信号选择尾座区是否是禁止区。尾座保护对应的参数设定如图3所示。TZ指定顶尖在工件坐标系中的Z轴坐标位置(点B)，此时不能使用机床坐标系。顶尖的轮廓对称于Z轴。根据Z轴是直径编程还是半径编程指定顶尖的坐标值。D、D1、D2、D3总是用直径指定。当Z轴用半径编程时，L、L1、L2用半径指定:①参数NO．1341，双字轴型，指定尾座的长度(L);②参数NO．1342，双字轴型，指定尾座的直径(D);③参数NO．1343，双字轴型，指定顶尖套的长度(L1);④参数NO．1344，双字轴型，指定顶尖套的直径(D1);⑤参数NO．1345，双字轴型，指定顶尖的长度(L2);⑥参数NO．1346，双字轴型，指定顶尖的直径(D2);⑦参数NO．1347，双字轴型，指定顶尖孔的直径(D3);⑧参数NO．1348，双字轴型，指定顶尖的Z坐标(Z)。在参数设定过程中要注意两个方面:(1)设定错误会导致无禁止区，如下列3种设定:①设定卡盘的外形时，如果卡爪的长度(参数NO．1311)小于夹持长度(参数NO．1333)或卡爪的宽度(参数NO．1332)小于夹持宽度(参数NO．1334)时;②设定顶尖的外形时，如果顶尖的直径(参数NO．1346)小于顶尖孔(参数NO．1347)时;③当卡盘的位置与顶尖的位置重叠时。(2)同时选择了存储行程检查2、3以及卡盘/尾座屏障功能时，只有卡盘/尾座屏障功能有效，存储行程检查2、3无效。
5结语
轴安全保护功能从实现形式上，可以通过硬件实现与通过设定位置禁区(软件)来实现。为了保证轴能够安全、可靠地运动，硬件保护装置应在坐标轴运动之前就予以安装，软件保护功能只用在机床坐标系建立后才能进行设定。
作者：杨金鹏 单位：四川信息职业技术学院
