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基（jī）於SIEMENS 840dsl係統大（dà）型機（jī）床防碰撞解決方案

2022-6-16 來源（yuán）：機床（chuáng）協會作者：王紅亮嚴昊明王天宇

摘要：在數（shù）控機床操作中，經常會遇到碰撞問（wèn）題，特（tè）別是大型雙龍門架機床，共用（yòng）一個X軸導（dǎo）軌，當兩個龍（lóng）門架相對運動時，很（hěn）容易（yì）由於操作不當發（fā）生碰撞，這不僅會影響機床（chuáng）的（de）使用壽命，還會威（wēi）脅操作人員的安全。為（wéi）避免出現類似問題，應采取合理、科學的防碰撞措施（shī）。本（běn）文通過對大型數控機床操作（zuò）的實踐，並從其（qí）結構（gòu）特點出發，總結了（le）操作（zuò）過程中發生碰撞的原因，提出（chū）四種解決辦法，理（lǐ）論聯係實際，供業界參（cān）考。

大型雙龍門（mén）架（jià）數控機床（chuáng），具有兩個（gè）龍門框架，一個龍門架的橫梁固定，一個龍門架的橫梁可以升降（jiàng），工（gōng）作台固定，兩個龍門架安裝在同一個X軸床身上，可進行往複運動。定梁龍門架是X1，動梁龍門架是X2，當X1和X2進行相（xiàng）對運動時，必須設置防碰撞保護裝置，防止相撞。

本項目根據實際情況，采（cǎi）用（yòng）了（le）硬件和軟（ruǎn）件相結合的方式進行雙（shuāng）重保護，同時利用西門子係統的碰撞監控功能，進行（háng）機床和工件的防碰撞監（jiān）控，提高了機床使用的安全性（xìng），解決了機床在運行中的（de）安全（quán）問題。機床結構（gòu）如（rú）圖（tú）1所（suǒ）示，下麵將逐一介紹項目中用到的四種方法（fǎ）。

圖1 大型雙龍門架（jià）數控機床

1. 硬件限位開關，配（pèi）合第二軟限位功能

機床雙龍（lóng）門框架具（jù）有防（fáng）碰撞保護裝置，在兩個龍門架接近時，通過在滑座端頭固定支架（jià）上安裝的全自動（dòng）控製電氣開關，在雙龍門主軸中心接近一定距離時，達到最小距離後自動發出報警信號（hào）並反饋（kuì）給各自的數控係統，從而控（kòng）製各自龍門動作（zuò）及時停止。

圖2 接近開（kāi）關（guān）控製結構

如圖2所示，開關支架1固定於（yú）定梁（liáng）龍門架一側的滑座上，撞塊1和觸發（fā）開關1固定在開（kāi）關支架1上。同樣，另一個開關支架（jià）2、撞塊2、觸（chù）發開關2固定於動梁龍門架一側的（de）滑座。當兩個龍門架接近到最小（xiǎo）距離（lí）時，固定於（yú）各自龍門上的撞（zhuàng）塊觸發對（duì）方的電氣開關，兩個龍門框架同時停止運動，並且激活數控係統的“第二軟（ruǎn）限位功能”，保證機床不會沿著原路徑方向繼續運動。為防（fáng）止其（qí）中一個電氣開關失靈，項目中采（cǎi）用冗餘設計，即在兩龍門（mén）另一側對應位置（zhì）上安裝上述同樣的裝置，一對滑座（zuò）兩（liǎng）側的固定電氣開關同時生效，無論哪組（zǔ）觸發開關，都能實現兩個龍門的停止運動，以（yǐ）達到雙重保護最安（ān）全（quán）的防碰撞目（mù）的。

此方法的優點（diǎn）是，硬件機構和軟件雙重防護，安全係數高；缺點是，硬件成本增加，安裝複雜，並且開關被壓上後，機床會立即停止（zhǐ），對於機床造（zào）成較大衝（chōng）擊，客戶體（tǐ）驗較差。

2. 讀兩個龍門架的X軸坐標，判斷是否進（jìn）入幹涉區

利用STEP7編程軟件，新建一個功能塊FC100，利用FB2讀取實時X1和X2的（de）坐標值（回零完成狀態），已知X軸導軌行程全長L和兩個（gè）龍門架之間最短安全距離DS，建立幹涉（shè）區距離Xs公式如（rú）下：

Xs=L-(X1+X2)

機床實時讀取X1和X2坐標值，並（bìng）進行計算，如果Xs≤DS，那麽表示龍門架已經到達安（ān）全距離，需要立即停（tíng）止運動，機床發出報警，並且（qiě）讀入禁止，進給禁止，以保（bǎo）護機床。需要注意的是，定梁龍門架需（xū）要把X1坐（zuò）標值通過網絡傳輸送到動梁（liáng）龍門架的（de）係統（tǒng）內進行運算，同理，動梁龍門架的（de）X2坐標值也要送到定梁龍門（mén）架內進行運算，需要處理好數據傳遞的準確（què）性和實時性。

此方法（fǎ）的優點是，不需要（yào）任何硬件設備，應用簡便；缺點是，需要先決條件，如果X1和X2軸有任意一個沒（méi）有回（huí）零，則計算結果將存在問題，導致功能失效，機床將失去防護功能。

3. 硬件限位開關，配合異步子程（chéng）序（xù）增加（jiā）碰撞（zhuàng）減速效果

此方法跟方法1類似，但是方法1中，機（jī）床會產生（shēng）真實碰撞，衝擊較大，如果可以在發生碰撞的時候，進行減速（sù）運動（dòng），到達安全距離後再停止（zhǐ），可以有效減少衝擊帶來的損傷。具（jù）體做法如下：

當行程開關被壓上後，激活係統的異步子程序，在程序中將X軸運行速度限定在低速，並在規定時（shí）間讓其停止（zhǐ），這樣可以有（yǒu）效減緩上（shàng）述三種辦法帶給（gěi）機床的衝擊。

異步子程序如下：

PLC編程調用異步子程（chéng）序，在OB1中（zhōng）調用（yòng）FB4，目的是把“Xstop.SPF”子程序和中斷號1連接起來，如果出（chū）現中斷號1，係統會跳出當前的循環指令，並自動執行“Xstop.SPF”，等待子程序執行完成後（hòu），再繼續執行原程序。實際情況是，當行程（chéng）開關I35.0被壓上後，觸發中斷響應（yīng），調用Xstop.SPF，對X軸（zhóu）進行（háng）限速，同時限製X軸餘程為100，在這個餘程內，X軸以（yǐ）500mm/min的速度運行，並（bìng）停止，起到安全停的作用。具體做法如下：

此方法（fǎ）的優點是，發生碰撞時有減速效果，機床平穩停止，不會造成較大衝擊，安全防護效果好（hǎo）；缺點是，硬件成本增加，安裝複雜，並且設計編程（chéng）複雜，需（xū）要較（jiào）高（gāo）的設計水平進行功能測試。

4. 碰撞監控（kòng）功能介紹

“Collision avoidance” 碰撞監控功能（6FC5800-0AS02-0YB0）可實時計算兩個保護區域（機床部件或者刀具）的間距，機床可以在線實時監控刀（dāo）具軌跡，防止發生碰撞。

此功（gōng）能（néng）可用於多種機床類型。臥式（shì）加工中（zhōng）心（xīn），如 Y 軸上下與旋轉工作台（B軸）；車削中心，如刀架與主軸（zhóu）、B 軸與主軸；五軸（zhóu）加工中（zhōng）心，如旋（xuán）轉軸與主軸頭（擺台型（xíng））；龍（lóng）門鏜銑床，如附（fù）件頭與工件。

可在數控係統中設置碰撞檢測參數（shù），實時（shí）計算兩個保護區域（機床部件或者刀具）的間距，防（fáng）止發生碰撞（zhuàng）。碰撞識別和（hé）預防功能不論（lùn）在自動還是點動運行（háng）方式下均可使用。碰撞識別和預防功（gōng）能（néng）是用（yòng）預讀功能得出的運動數據。

該功能對（duì）刀具運動軌跡的（de）預判（pàn）如圖3所示，預判時間可自（zì）由（yóu）設置，保證碰撞被及時檢查。

圖3 刀具刀柄碰撞預判（pàn）功能

應用此功能，需要建（jiàn）立精確的機床模（mó）型，以及（jí）刀具和工件的模（mó）型。精確的模型可以準確預計膨脹位置，並輸出報警26280，使機床停止運（yùn）動，保護機床和工件。

目前，此功能為西門子係統選項功能，客戶可以根據需要（yào）進行選購，對於航空航天領域的機械加工企業，機床（chuáng）設（shè）備和工件的（de）材（cái）質較為（wéi）昂貴，非常有必要選購此功能進行碰撞監控（kòng）。

5. 結論

以上方法，既可用於大型雙龍門架機床，也可用（yòng）於普通數控（kòng）機床的（de）防碰撞控製，簡單實用，安全可靠，可作為機床安（ān）全（quán）保護方法（fǎ）供參考（kǎo）借鑒。

來源：世界製造技術與裝（zhuāng）備市場

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