用于加工中心的交互式“防呆”技术

发布时间:2010-07-13
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图1   交互式“防呆”技术工作流程


本文将POKA-YOKE(防呆措施)思想和Jidoka(带人的自动化)思想以一种实际的形式应用到现场,通过技术改进,大大提升了设备的人性化操作功能,降低了设备使用过程中的风险,从根本上消除了因操作人员自己的疏忽大意而发生设备碰撞事故的现象。

随着奇瑞公司的不断发展,发动机制造水平快速提高,我们拥有了数百台世界一流的加工中心,为了让这些先进设备创造出最大的效益,在这些价格不菲的设备使用与维护的过程中,我们对加工中心的控制程序进行了深入地学习与研究,成功地开发出一项能够有效防止由于操作人员疏忽而发生碰撞事故的技术,并在我公司进行了全面地推广,使用效果良好。

当今的发动机生产线都朝着多品种、柔性化、高效率和高精度的方向发展,因而,高精度、高速度加工中心的大量应用,成为了必然的趋势。设备越来越先进,对人员的技能要求也越来越高,任何一个小的疏忽,都可能造成严重的后果,给公司带来巨大的经济损失。然而,在大批量、快节奏的生产中,单纯靠人的主观性是很难维持的,这就必须要使用技术手段来保证,也就是在日系管理中很推崇的POKA-YOKE(防呆措施)思想和Jidoka(带人的自动化)思想。

从发生的原因来分析,碰撞事故主要有以下几个方面:

1.启动程序前,未将进给倍率降低。

2.工件加工过程中,程序被复位,刀具未退至

安全区域时继续启动程序。

3.多品种混线生产时,程序调用错误。

4.刀补数据输入错误。

以上几个原因从表面上看各不相同,但它们都有一个共同点——操作人员在主观上的疏忽大意。为此,我们采用交互式“防呆”技术,将POKA-YOKE和Jidoka的思想应用到实际工作中。


图2   安全判断及报警触发PLC程序

交互式“防呆”技术工作原理

以一台现场的加工中心为例,其快移速度为70m/min,Z轴行程为630mm,考虑主轴上刀具的长度和夹具的体积,则刀尖离工件的最远距离最多不超过500mm,为了提升效率,编制加工程序时,一般都会先以最快速度将刀具定位至离加工部位3mm左右的位置,然后再以工艺上要求的速度进行进给。根据以上数据,我们可以计算出刀具接近工件所需的时间:

即使将伺服系统加、减速的时间考虑进去,整个时间也不超过1s,如果在主轴没有退到安全区域的情况下启动程序,则时间更短。有经验的操作人员,都会在启动程序前将进给倍率降低,直到确认程序走向正确后,再逐步将进给倍率升至100%。然而,正如上文所提到的,事故的发生往往就是在疏忽的一瞬间。POKA-YOKE和Jidoka的思想,就是将设备与人给合起来,通过技术手段,采集关键的参数与信号,判断设备是否处于安全状态,并适时地给出提示信息,要求操作人员按照规定的方式进行操作,如果操作人员未能按照要求执行,则程序不会执行。交互式“防呆”技术工作流程如图1所示。


图3  将Display值设为1

交互式“防呆”技术应用步骤

1. PLC程序的编制

为了实现以上功能,需要从数控系统的PLC程序中采集以下关键信号(以第一通道的接口信号为例,其他通道以此类推):

NC程序启动。该信号可以直接利用MCP上的NC Start输入信号或读取通道接口信号DB21.DBX7.1。

NC程序正在运行,读取通道接口信号DB21.DBX35.0。

NC程序等待,读取通道接口信号DB21.DBX35.1。

NC程序停止,读取通道接口信号DB21.DBX35.2。

NC程序中断,读取通道接口信号DB21.DBX35.3。

NC程序放弃,读取通道接口信号DB21.DBX35.4。

电子凸轮信号。根据机床的行程,在SD41500-41507中设置相应的数值,再从PLC程序中读取DB10.DBX110.0-113.7以及DB10.DBX114.0-117.7中相对应的接口信号状态。


图4  启动条件不满足时HMI上弹出的报警信息

读入禁止,读取通道接口信号DB21.DBX6.1。

用户报警触发等。根据设备上原有用户报警接口信号,从DB2中查找空闲的位,用于新增报警。

使用电子凸轮(software CAM)或使用系统功能块直接读取各轴的位置,根据机床的行程进行判断使主轴处于安全区域,再对机床的倍率设定值进行采集,通过一定的逻辑组合,添加到机床原有的PLC程序中。在程序未启动之前,对机床的安全性进行判断,如果条件不满足,则禁止执行程序,并将报警对应接口信号置1,在机床的HMI弹出报警信息,指导操作人员,将机床切换到JOG模式,将Z轴移动至安全区域,然后再将进给倍率设为0,直到条件满足后,报警才能被清除,程序才能继续执行。安全判断及报警触发PLC程序如图2所示。

2. 报警文本的设置

在程序执行时,可能还会有其他报警同时产生,将这条报警信息挡住,操作人员不易看到,为此,我们对报警信息的显示进行了设置,使其优先级高于其他任何报警信息,并以窗口显示模式,始终在HMI的最前端,以最醒目的方式来提示操作人员,当前的状态以及应该采取措施。

在PCU50的硬盘目录F:dhmb.dir(本文仅以标准配置目录为例)下找到alp_uk.com为文件名的报警文件,用文本编辑器打开,将相应的报警文本行中的Display值设为1,则以对话框的形式显示(见图3)。


图5   条件满足后,程序可正常执行

3. 现场调试

正常启动一个加工程序,当程序正在执行时,按下RESET键,模拟正常时出现报警后的情况,因主轴的位置不在安全区域内,机床立即弹出报警信息,并禁止程序继续启动,如图4所示。操作人员按照提示进行操作后,再次启动程序,继续正常加工,如图5所示。

按照规定的要求启动程序后,因为此时进行给倍率为零,各轴不会移动,而程序执行情况已全部显示出来,如当前执行的语句、进给轴余程和主轴转速等,操作人员可以从HMI上查看各轴的余程,是否和当前想要加工的内容一致,如果不正确,则可以取消程序执行并检查程序。反之,则可以缓慢提升倍率,继续进行加工。在这样的双重保护下,可以从根本上消除因操作人员自己的疏忽大意而导致发生设备碰撞事故的现象。

结语

POKA-YOKE和Jidoka思想在现场管理的培训中经常被提及,但如何将它以一种实际的形式应用到现场,是我们技术人员永恒的课题。通过本次技术改进,大大提升了设备的人性化操作功能,降低了设备使用过程中的风险,以安全提升效率,以效率降低成本,以节约创造效益。

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