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數控機床防碰撞及碰撞保護技術研（yán）究與應用

2022-5-7 來源（yuán）：昌河飛機工業（集團）有限責任公司作者：胡輝洪忠傑

摘（zhāi）要：數控（kòng）機（jī）床意外碰撞（zhuàng）是造成機床長時間（jiān）故障停機、精度喪失、關重部件減壽甚至損壞的一項重要原因，數控機床一旦發生碰撞，將給企業（yè）造成重大的經濟損失，嚴重影響企業科研生產。目前普遍開展的是通過管理方式進行改善，規範操作及編程，降（jiàng）低犯錯率。但如何從技術層麵有效避免數控機床發生碰撞，或者即使（shǐ）發生碰撞（zhuàng），機床如（rú）何能快速（sù）停機，降低碰撞損失，實現碰撞保護，一直是擺在設備維護人員麵（miàn）前的題，是設備維護人員研究和探索的技術（shù）方向。

數控機床尤其五軸數控機床，由於其機床本體結構、加工路徑、操作、編程、工裝夾具等極為複雜，一旦（dàn）出現操作及編程疏忽，如刀具長度、工件原點設置錯誤，機床部件與毛坯件、工裝、夾具等輔助部件發生運動幹（gàn）涉（見圖1）等，都極易（yì）造成數控機床意外碰撞，輕（qīng）則刀具破損，重則主軸、銑頭、工件損壞，機床精度喪失，長時（shí）間故障停機等，給企業造成重大經濟損失（shī），嚴重影響企業科研生產（chǎn）。

圖（tú）1 五軸銑（xǐ）頭與工裝發生幹涉

目前企業主（zhǔ）要從加強管（guǎn）理入手，規範操作及編程。如培訓（xùn）操作人（rén）員（yuán）規範操（cāo）作，要（yào）求加工前必須（xū）進行加工程序模擬仿真等，降低犯錯率，從管理方麵進行預防，取得（dé）了一定的效果，但機床碰撞事件仍（réng）時有發生（shēng）。

如何從技術（shù）層麵有效避免數控機床（chuáng）發生碰撞，或者即使發生碰撞，機床（chuáng）如何能快速停機（jī），降低碰撞（zhuàng）損失，實現碰撞保護，是值得設備維護人員探索的兩個技術方向。本文將簡要介紹和說明針對以上兩個技術方向（xiàng）進（jìn）行的研究與（yǔ）應（yīng）用。

1. 數控機床防（fáng）碰撞功能的研究與應用

隨著數控係統不斷發展和升級，數據運算處理能力不斷增（zēng）強。目前一些高端數控係統，已經陸續推出數控係統防碰撞功能，如海（hǎi）德漢（hàn）數控係（xì）統DCM功能（動態碰撞監測功能）、西門子數控係統COLLISION AVOIDANCE功能（選項功能6FC5 800-0AS02-0YB0）、FIDIA數控係統VIMILL功能。該功能（néng）用（yòng）於在數控（kòng）係統中全麵構建機床實際加工的數字化（huà）環境，實時監控機床部件、工裝、刀具、夾具之間的空間位置，避免（miǎn）在機床運（yùn）行過程中發生碰撞，提高（gāo）機床運行安全性。以下就以海德漢數控係統DCM功能為例，進行介紹。

（1）DCM功能簡介（jiè）

海德漢DCM功能是通過海德漢Kinematics Design軟件，應用幾何形狀，例如立方體、圓柱和平麵，描述工作區和碰撞對象，同時還可以（yǐ）組合多個幾何體構成複（fù）雜的機床部件，最後將這些3D實（shí）體插入到機床運動鏈中。

在機床實際加工過程中或測試模式下，DCM軟件都能實時監控這些（xiē）機（jī）床部件的（de）相對位置，如果部件之間的間距小於3-5mm，則數控機床立（lì）即停止運動（dòng），同時（shí）數控係統會（huì）出現報警（jǐng）提示。DCM功能對數控係統求：①#40選項功能“DCM Collision”；②MC 422B/C；

③係統版本不低於340 49x。

（2）DCM功能使用方法

一台德（dé）馬吉五軸加工中心采用海德漢iTNC530數控係統，配有DCM係統功能（néng），以下就以該（gāi）設備為例，簡單介紹該功能的使用方法。

①建（jiàn）立機床部件實體。首先需要搭建機床的主件（jiàn）3D虛擬模型，通過使用Kinematics Design軟件對機床部件進行描述定義（見圖2），通過（guò）使用限位麵（miàn）描述工作區域的（de）限製（zhì），使用立方體以及圓柱（zhù）體描述（shù）機床的一些主要部件，如工作台、主軸頭、立柱、刀庫等。

圖2 機床主件模型

②建立夾具以及（jí）刀柄實體。同樣是使用Kinematics Design軟件對常用夾具以及刀柄進行（háng）描述定義，並將（jiāng）生（shēng）成的模板文件拷貝到數控（kòng）係統TNC分區（qū）的根目錄下（xià）。為了生效（xiào）夾具以及刀柄，必（bì）須在Kinematics Table中擴展（zhǎn）定義（yì）TOOLFILE以及Clamp，如圖3所示。

圖3 Kinematics Table

③DCM功能使用方法。完成以上配置後，可在海德漢iTNC530數控係統（tǒng）上使用DCM功能。在（zài）手動操作菜（cài）單（dān）項中（zhōng），進（jìn）入COLLISION界麵，可分別在程序運行和手動操作狀態下打開或關閉DCM功能（néng），如圖4所示。

圖4 激活DCM功能界麵

由於機床廠家已經描（miáo）述定義（yì）了（le）DCM係統中的機床主體部件，為（wéi）實（shí）現夾具監控，需要進入FIXTURE MANAGEMENT界麵，如圖5所示，調用夾具模板文件（後（hòu）綴名.cft），並（bìng）根據（jù）實際情況修改模板尺寸並保存（後綴名.cfx）。然後進入PLACE界麵，利用機床配（pèi）置的（de）接觸（chù）式（shì）探頭（tóu）測量功能（néng），測出（chū）夾具在（zài）機床區域內實際（jì）位置。

圖5 夾具設置界麵

關於刀具參數，如刀長、直徑等（děng），數控係統可以從刀具表中獲得。但刀柄的形狀則各不相同，為了實現刀柄監控，還（hái）必須對（duì）刀柄的形（xíng）狀進行描（miáo）述定義，如圖（tú）6所示，設定方（fāng）法與（yǔ）夾具設置方法類似。

圖6 刀柄設置界麵

在完成以上步驟後，一個模擬機床的實際加（jiā）工環境建立起（qǐ）來了。當機床移動時，DCM功能實時模（mó）擬（nǐ）運行，當監測到刀具與夾具之間距離＜5mm時，存在（zài）碰撞風險，數控係統會立即停止加工，並彈出報警提示信息DCM：Tool-Flex Jaw，如圖7所示。

圖7 DCM報警（jǐng）界麵

2. 數控機床（chuáng）碰撞保護功能的研究與應用

研究表明，大部分傷害不是由碰撞本身造成的，而是由碰撞發生後瞬間持續的壓力狀態引（yǐn）起的，從碰撞發生到停止之間間隔的時間越長，則損害越大（見圖8）。數控機床發生碰撞後，數控係統會增加進給（gěi）力以達到設定的目標坐標點，直到伺服電機扭矩或電（diàn）流監測（cè）超過數控係統設置的（de）限定值，且達到一定的持（chí）續時間（以西門子數控係統為例，持續時間200ms）後發出停機指令，並彈出報警提示信息，在（zài）此期間，機床與工件開（kāi）始損壞、精度開始喪失。如何最大限度降低機（jī）床碰（pèng）撞造成的損失，需要（yào）快速判斷機床是否發生碰撞（zhuàng），一旦判斷為碰（pèng）撞事件，數控機床快速反應停機，才能將損害降到最低。

圖8 碰撞損壞狀態

（1）碰撞保護功能

以一台三軸立式加工（gōng）中心為（wéi）例，在機床主軸端安裝振動傳感器，如圖9所（suǒ）示，越接近主（zhǔ）軸鼻端效果越佳。通過振動傳感器（qì）進行數控機床碰撞識別，通常振動（dòng）加速（sù）度≥30m/s²時，判斷為碰撞事（shì）件，同時監（jiān）控模塊在3ms內發出報警信（xìn）號，給機床控製係統觸（chù）發急停報警，機床（chuáng）快速停止，如圖10所示，將碰撞造成（chéng）的損壞降到最低。

圖9 傳感器安裝（zhuāng）

圖10 碰撞（zhuàng）保護原理

（2）碰撞保護（hù）功能測試試驗

①試驗條件：一台三軸立式加工中心，配（pèi）置FANUC 0I數（shù）控係統，以G00速度（最大移動速度）分別從X和Z方向進行兩次撞機測試（具體（tǐ）條件（jiàn）如表1所示），測量撞機前後主軸靜態和動態精度差異，用以驗證碰撞保護功能效果。

表（biǎo）1 測試條件

撞（zhuàng）機前後主軸精度測量方法主要有動態精度和靜態精度法。

靜態精度法：使用千分表測量在0mm（近端）和300mm（遠端）處的跳動，以及主軸軸線與Z軸在Y-Z平麵和 X-Z 平麵的平行度，如（rú）圖11所示。

圖11 主軸精度測量

動（dòng）態精度法：利（lì）用三向振動傳感器，測量主（zhǔ）軸4000r/min空轉時（shí），在X、Y、Z三個方向主軸振動值，評（píng）估主軸軸承狀態。

②試驗結果：通過（guò）兩次撞機測試，檢測撞機前後主軸靜態精度和動態精度（dù）（如表2、表3所示），主軸靜態（tài）和動態精度均未發生明顯變化，碰撞保護功能效果良好。

表2 主（zhǔ）軸靜態（tài）精度

表3 主軸動態精（jīng）度

3. 結語（yǔ）

數控係統的防碰撞功能，對（duì）於（yú）數控（kòng）係（xì）統硬件配置以及係統（tǒng）版本都有較高的要求，同時需要（yào）搭建數控機床實（shí）際加工的數字化環境，因此不但需要數控機床本（běn）身的數模，且對於（yú）常用的刀具、夾具（jù）以及工裝都需要建數（shù）模，以致該功能的使用難度較大且過程較為繁（fán）瑣，但實現後能夠有效預（yù）防和（hé）避免碰撞的發生。

而采用振動傳感器監測（cè）的數（shù）控機床碰撞保護功能，對數控係統本身配置（zhì）沒有（yǒu）要求（qiú），安裝調試完成後就可以直接使用，功能實現較為簡易，但（dàn）是需要額外的硬件采購成本。此外，該功能實現的是碰撞保護，無法預防碰撞的發生，隻能降低數控機（jī）床碰撞造成的（de）損失。

因此可根據數控機床的實際配置（zhì）情況，靈活選用這兩種功能，對於新設備，在采購（gòu）階段要求機床廠家配置數控（kòng）係統防碰撞功能，而對於老舊設備，數控係（xì）統配（pèi）置無法滿足防碰撞（zhuàng）功能需求，升級（jí）換代的（de）經濟成本太高，則可考慮采用（yòng）碰撞保護功能。通（tōng）過采用這兩種方式，可（kě）以從技術層麵有效解決數控機（jī）床碰撞問題。

來源：《世界製造技術與裝備市場》

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