西门子840D 系统砂轮回退安全功能的研究与实现

1. 引言

中国作为全球最大的制造业基地，数控磨床在精密零部件加工中占据核心地位。本厂现有磨床共 12 台，均采用西门子 840D 系统。现场普遍采用液压油缸 - 尾座方式夹紧工件，头架电机与砂轮高速旋转完成磨削。一旦液压系统失压（如油泵连接键断裂、溢流阀卡滞、管路爆裂、油箱爆空），尾座顶紧力骤减，工件可能停止旋转而砂轮继续进给，轻则工件报废，重则工件飞出造成设备损毁与人身伤亡。

传统机床出厂程序未考虑该极端工况，存在设计缺陷，亟需二次安全改造。尤其在汽车桥壳、转向节、电机轴等高价值零件批量生产线上，单次事故的经济损失可达数万元至数十万元，且伴随停机连锁反应。因此，研究一套低成本、高可靠的液压失压紧急回退系统，对提升我国数控磨床的本质安全水平具有重要现实意义。

2. 安全需求分析

（1）实时性：失压检测至轴回退完成的时间必须小于砂轮切入工件的临界时间（经验值 500ms ）。系统响应延迟需尽可能短，避免因延迟导致磨削异常或设备碰撞。

（2）可靠性：硬件传感器、PLC 逻辑、NC 异步子程序三重冗余，任何单点故障不得导致功能失效。系统应具备自诊断能力，能够实时反馈运行状态。

（3）可维护性：改造不得破坏原有加工程序，所有安全动作可通过机床面板复位，便于现场维护。系统应具备日志记录功能，便于故障排查与后续优化。

（4）适应性：系统应能适应不同型号的数控磨床，具备良好的通用性与可扩展性，便于在多种设备上推广应用。

3. 系统总体架构

3.1 硬件改造

· 压力检测：在液压站出口处安装 0-10Mpa 压力传感器，输出开关量信号I43.0（常闭触点，失压时断开）。

· 电气接口：I43.0 接入 840D PLC 输入模块。

3.2 软件架构

改造逻辑分为三层：

信号层：PLC 实时监测 I43.0，并对其进行滤波处理，避免因液压波动导致的误触发。

逻辑层：PLC 通过 FB4 功能块向 NCK 发出“选择并启动 ASUP”请求，确保指令传输的准确性与实时性。

执行层：NC 异步执行 jitui.mpf，完成 X、Z 轴回退并输出完成标志。系统同时记录执行过程，便于后续分析与优化。

4.PLC 程序设计

4.1 符号定义

I43.0 ： 液压压力正常（常闭）

M17.1 ： 自动模式下失压脉冲（上升沿）

M15.0 ： 复位 NC 程序请求

M15.2 ： 启动 FB4 请求

T0 ： 延时定时器 250ms

4.2 关键梯形图逻辑（1）失压检测

I43.0 下降沿 M17.1 置位一个扫描周期。

（2）程序复位

M17.1 触发 M15.0=1 调用 FB1 复位当前通道程序（DB21.DBX7.3=1）。此步骤确保当前加工程序被安全中断，为回退动作创造条件。

（3）延时启动 FB4

M15.0 经 T0 延时 250ms 后 ⟶M15.2=1 。延时设计用于避免因瞬时压力波动导致的误动作，提升系统稳定性。

（4）FB4 参数配置3eq：=M15.2 PIService “PI”.SELECT

Unit ：=1. // 通道 1

Addr1 ：=1 ‘//CMA/’// 子程序目录

Addr2 ：=1 jitui.mpf

（5）循环启动

M15.2 延时 100ms 后 ⟶M15.3=1⟶DB21.DBX7.1=1 （NC Start）启动ASUP。系统同时反馈启动状态，确保指令被正确执行。

5.NC 异步子程序 jitui.mpfN10 DEF REAL X_ACT_WORK 定义变量N20 STOPRE 停止程序预处理

N30 X_ACT_WORK ：=S AA_IW[X] 获取当前 X 轴坐标

N40 IF X_ACT_WORK GOTOF MARK1 位置判断

N50 G01 G91 X20. Z2. F600 X，Y 轴回退距离

N60 SAFE_POS 安全位程序

N70 MARK1：

N80 M02

该子程序通过实时获取轴位置信息，判断当前位置是否处于危险区域。若符合条件，则控制砂轮按预设路径快速回退至安全位置，避免与工件发生碰撞。

6. 现场验证

6.1 测试方法

关闭液压站电机，观察：

a） PLC 输入指示灯 I43.0 立即

b） NC 程序中断，轴开始回退；

6.2 结果

· 响应时间：失压→轴移动 =320ms

· 回退距离： X=20mm ， z=2mm ，完全避开工件；

重复 10 次无异常。响应时间：失压→轴移动 =320ms

兼容性：在不同型号的数控磨床上均能稳定运行。

7. 结论与展望

本文提出的基于 840D ASUP 机制的砂轮紧急回退方案，利用 PLC-NC 深度交互，在不改变原加工程序的前提下，实现了液压失压的快速安全响应。该方案成本低、周期短（ ⩽2 天），已在某汽车桥壳生产线 6 台磨床批量应用，显著提升了设备的安全性与可靠性。

后续研究将围绕以下几个方面展开：

引入双通道压力比较机制，进一步提升系统的可靠性与抗干扰能力；

增加以太网远程诊断功能，实现故障预警与远程维护优化回退轨迹算法，使其适应更多复杂工况；

推广至 828D、SINUMERIK ONE 等平台，助力中国制造业本质安全水平提升。

参考文献

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