WMEM | 數控機床防碰撞及碰撞保護技術研究與應用
WMEM | 數控機床防碰撞及碰撞保護技術研究與應用
【摘要】數控機床意外碰撞是造成機床長時間故障停機、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，規范操作及編程，降低犯錯率。但如何從技術層面有效避免數控機床發生碰撞，或者即使發生碰撞，機床如何能快速停機，降低碰撞損失，實現碰撞保護，一直是擺在設備維護人員面前的難題，是設備維護人員研究和探索的技術方向。
數控機床尤其五軸數控機床，由于其機床本體結構、加工路徑、操作、編程、工裝夾具等極為復雜，一旦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干涉（見圖1）等，都極易造成數控機床意外碰撞，輕則刀具破損，重則主軸、銑頭、工件損壞，機床精度喪失，長時間故障停機等，給企業造成重大經濟損失，嚴重影響企業科研生產。
圖1 五軸銑頭與工裝發生干涉
目前企業主要從加強管理入手，規范操作及編程。如培訓操作人員規范操作，要求加工前必須進行加工程序模擬仿真等，降低犯錯率，從管理方面進行預防，取得了一定的效果，但機床碰撞事件仍時有發生。
如何從技術層面有效避免數控機床發生碰撞，或者即使發生碰撞，機床如何能快速停機，降低碰撞損失，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進行的研究與應用。
1. 數控機床防碰撞功能的研究與應用
隨著數控系統不斷發展和升級，數據運算處理能力不斷增強。目前一些高端數控系統，已經陸續推出數控系統防碰撞功能，如海德漢數控系統DCM功能（動態碰撞監測功能）、西門子數控系統COLLISION AVOIDANCE功能（選項功能6FC5 800-0AS02-0YB0）、FIDIA數控系統VIMILL功能。該功能用于在數控系統中全面構建機床實際加工的數字化環境，實時監控機床部件、工裝、刀具、夾具之間的空間位置，避免在機床運行過程中發生碰撞，提高機床運行安全性。以下就以海德漢數控系統DCM功能為例，進行介紹。
（1）DCM功能簡介
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、圓柱和平面，描述工作區和碰撞對象，同時還可以組合多個幾何體構成復雜的機床部件，最后將這些3D實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機床部件的相對位置，如果部件之間的間距小于3-5mm，則數控機床立即停止運動，同時數控系統會出現報警提示。DCM功能對數控系統要求：①#40選項功能“DCM Collision”；②MC 422B/C；
③系統版本不低于340 49x。
（2）DCM功能使用方法
一臺德馬吉五軸加工中心采用海德漢iTNC530數控系統，配有DCM系統功能，以下就以該設備為例，簡單介紹該功能的使用方法。
①建立機床部件實體。首先需要搭建機床的主件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），通過使用限位面描述工作區域的限制，使用立方體以及圓柱體描述機床的一些主要部件，如工作臺、主軸頭、立柱、刀庫等。
圖2 機床主件模型
②建立夾具以及刀柄實體。同樣是使用Kinematics Design軟件對常用夾具以及刀柄進行描述定義，并將生成的模板文件拷貝到數控系統TNC分區的根目錄下。為了生效夾具以及刀柄，必須在Kinematics Table中擴展定義TOOLFILE以及Clamp，如圖3所示。
圖3 Kinematics Table
③DCM功能使用方法。完成以上配置后，可在海德漢iTNC530數控系統上使用DCM功能。在手動操作菜單項中，進入COLLISION界面，可分別在程序運行和手動操作狀態下打開或關閉DCM功能，如圖4所示。
圖4 激活DCM功能界面
由于機床廠家已經描述定義了DCM系統中的機床主體部件，為實現夾具監控，需要進入FIXTURE MANAGEMENT界面，如圖5所示，調用夾具模板文件（后綴名.cft），并根據實際情況修改模板尺寸并保存（后綴名.cfx）。然后進入PLACE界面，利用機床配置的接觸式探頭測量功能，測出夾具在機床區域內實際位置。
圖5 夾具設置界面
關于刀具參數，如刀長、直徑等，數控系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，還必須對刀柄的形狀進行描述定義，如圖6所示，設定方法與夾具設置方法類似。
圖6 刀柄設置界面
在完成以上步驟后，一個模擬機床的實際加工環境建立起來了。當機床移動時，DCM功能實時模擬運行，當監測到刀具與夾具之間距離＜5mm時，存在碰撞風險，數控系統會立即停止加工，并彈出報警提示信息DCM：Tool-Flex Jaw，如圖7所示。
圖7 DCM報警界面
2. 數控機床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，而是由碰撞發生后瞬間持續的壓力狀態引起的，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）。數控機床發生碰撞后，數控系統會增加進給力以達到設定的目標坐標點，直到伺服電機扭矩或電流監測超過數控系統設置的限定值，且達到一定的持續時間（以西門子數控系統為例，持續時間200ms）后發出停機指令，并彈出報警提示信息，在此期間，機床與工件開始損壞、精度開始喪失。如何最大限度降低機床碰撞造成的損失，需要快速判斷機床是否發生碰撞，一旦判斷為碰撞事件，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
以一臺三軸立式加工中心為例，在機床主軸端安裝振動傳感器，如圖9所示，越接近主軸鼻端效果越佳。通過振動傳感器進行數控機床碰撞識別，通常振動加速度≥30m/s2時，判斷為碰撞事件，同時監控模塊在3ms內發出報警信號，給機床控制系統觸發急停報警，機床快速停止，如圖10所示，將碰撞造成的損壞降到最低。
圖9 傳感器安裝
圖10 碰撞保護原理
（2）碰撞保護功能測試試驗
①試驗條件：一臺三軸立式加工中心，配置FANUC 0I數控系統，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（具體條件如表1所示），測量撞機前后主軸靜態和動態精度差異，用以驗證碰撞保護功能效果。
表1 測試條件
撞機前后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平面和 X-Z 平面的平行度，如圖11所示。
圖11 主軸精度測量
動態精度法：利用三向振動傳感器，測量主軸4000r/min空轉時，在X、Y、Z三個方向主軸振動值，評估主軸軸承狀態。
②試驗結果：通過兩次撞機測試，檢測撞機前后主軸靜態精度和動態精度（如表2、表3所示），主軸靜態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 主軸靜態精度
表3 主軸動態精度
3. 結語
數控系統的防碰撞功能，對于數控系統硬件配置以及系統版本都有較高的要求，同時需要搭建數控機床實際加工的數字化環境，因此不但需要數控機床本身的數模，且對于常用的刀具、夾具以及工裝都需要建數模，以致該功能的使用難度較大且過程較為繁瑣，但實現后能夠有效預防和避免碰撞的發生。
而采用振動傳感器監測的數控機床碰撞保護功能，對數控系統本身配置沒有要求，安裝調試完成后就可以直接使用，功能實現較為簡易，但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，只能降低數控機床碰撞造成的損失。
因此可根據數控機床的實際配置情況，靈活選用這兩種功能，對于新設備，在采購階段要求機床廠家配置數控系統防碰撞功能，而對于老舊設備，數控系統配置無法滿足防碰撞功能需求，升級換代的經濟成本太高，則可考慮采用碰撞保護功能。通過采用這兩種方式，可以從技術層面有效解決數控機床碰撞問題。
作者：胡輝 洪忠杰【昌河飛機工業（集團）有限責任公司】
來源：《世界制造技術與裝備市場（WMEM）》雜志2022年第2期
