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WMEM | 基于SIEMENS 840dsl系統(tǒng)大型機床防碰撞解決方案
WMEM|基于SIEMENS 840dsl系統(tǒng)大型機床防碰撞解決方案
【摘要】在數(shù)控機床操作中，經(jīng)常會遇到碰撞問題，特別是大型雙龍門架機床，共用一個X軸導(dǎo)軌，當兩個龍門架相對運動時，很容易由于操作不當發(fā)生碰撞，這不僅會影響機床的使用壽命，還會威脅操作人員的安全。為避免出現(xiàn)類似問題，應(yīng)采取合理、科學(xué)的防碰撞措施。本文通過對大型數(shù)控機床操作的實踐，并從其結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，總結(jié)了操作過程中發(fā)生碰撞的原因，提出四種解決辦法，理論聯(lián)系實際，供業(yè)界參考。
大型雙龍門架數(shù)控機床，具有兩個龍門框架，一個龍門架的橫梁固定，一個龍門架的橫梁可以升降，工作臺固定，兩個龍門架安裝在同一個X軸床身上，可進行往復(fù)運動。定梁龍門架是X1，動梁龍門架是X2，當X1和X2進行相對運動時，必須設(shè)置防碰撞保護裝置，防止相撞。
本項目根據(jù)實際情況，采用了硬件和軟件相結(jié)合的方式進行雙重保護，同時利用西門子系統(tǒng)的碰撞監(jiān)控功能，進行機床和工件的防碰撞監(jiān)控，提高了機床使用的安全性，解決了機床在運行中的安全問題。機床結(jié)構(gòu)如圖1所示，下面將逐一介紹項目中用到的四種方法。
圖1 大型雙龍門架數(shù)控機床
1. 硬件限位開關(guān)，配合第二軟限位功能
機床雙龍門框架具有防碰撞保護裝置，在兩個龍門架接近時，通過在滑座端頭固定支架上安裝的全自動控制電氣開關(guān)，在雙龍門主軸中心接近一定距離時，達到最小距離后自動發(fā)出報警信號并反饋給各自的數(shù)控系統(tǒng)，從而控制各自龍門動作及時停止。
圖2 接近開關(guān)控制結(jié)構(gòu)
如圖2所示，開關(guān)支架1固定于定梁龍門架一側(cè)的滑座上，撞塊1和觸發(fā)開關(guān)1固定在開關(guān)支架1上。同樣，另一個開關(guān)支架2、撞塊2、觸發(fā)開關(guān)2固定于動梁龍門架一側(cè)的滑座。當兩個龍門架接近到最小距離時，固定于各自龍門上的撞塊觸發(fā)對方的電氣開關(guān)，兩個龍門框架同時停止運動，并且激活數(shù)控系統(tǒng)的“第二軟限位功能”，保證機床不會沿著原路徑方向繼續(xù)運動。為防止其中一個電氣開關(guān)失靈，項目中采用冗余設(shè)計，即在兩龍門另一側(cè)對應(yīng)位置上安裝上述同樣的裝置，一對滑座兩側(cè)的固定電氣開關(guān)同時生效，無論哪組觸發(fā)開關(guān)，都能實現(xiàn)兩個龍門的停止運動，以達到雙重保護最安全的防碰撞目的。
此方法的優(yōu)點是，硬件機構(gòu)和軟件雙重防護，安全系數(shù)高；缺點是，硬件成本增加，安裝復(fù)雜，并且開關(guān)被壓上后，機床會立即停止，對于機床造成較大沖擊，客戶體驗較差。
2. 讀兩個龍門架的X軸坐標，判斷是否進入干涉區(qū)
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的坐標值（回零完成狀態(tài)），已知X軸導(dǎo)軌行程全長L和兩個龍門架之間最短安全距離DS，建立干涉區(qū)距離Xs公式如下：
Xs=L-(X1+X2)
機床實時讀取X1和X2坐標值，并進行計算，如果Xs≤DS，那么表示龍門架已經(jīng)到達安全距離，需要立即停止運動，機床發(fā)出報警，并且讀入禁止，進給禁止，以保護機床。需要注意的是，定梁龍門架需要把X1坐標值通過網(wǎng)絡(luò)傳輸送到動梁龍門架的系統(tǒng)內(nèi)進行運算，同理，動梁龍門架的X2坐標值也要送到定梁龍門架內(nèi)進行運算，需要處理好數(shù)據(jù)傳遞的準確性和實時性。
此方法的優(yōu)點是，不需要任何硬件設(shè)備，應(yīng)用簡便；缺點是，需要先決條件，如果X1和X2軸有任意一個沒有回零，則計算結(jié)果將存在問題，導(dǎo)致功能失效，機床將失去防護功能。
3. 硬件限位開關(guān)，配合異步子程序增加碰撞減速效果
此方法跟方法1類似，但是方法1中，機床會產(chǎn)生真實碰撞，沖擊較大，如果可以在發(fā)生碰撞的時候，進行減速運動，到達安全距離后再停止，可以有效減少沖擊帶來的損傷。具體做法如下：
當行程開關(guān)被壓上后，激活系統(tǒng)的異步子程序，在程序中將X軸運行速度限定在低速，并在規(guī)定時間讓其停止，這樣可以有效減緩上述三種辦法帶給機床的沖擊。
異步子程序如下：
PLC編程調(diào)用異步子程序，在OB1中調(diào)用FB4，目的是把“Xstop.SPF”子程序和中斷號1連接起來，如果出現(xiàn)中斷號1，系統(tǒng)會跳出當前的循環(huán)指令，并自動執(zhí)行“Xstop.SPF”，等待子程序執(zhí)行完成后，再繼續(xù)執(zhí)行原程序。實際情況是，當行程開關(guān)I35.0被壓上后，觸發(fā)中斷響應(yīng)，調(diào)用Xstop.SPF，對X軸進行限速，同時限制X軸余程為100，在這個余程內(nèi)，X軸以500mm/min的速度運行，并停止，起到安全停的作用。具體做法如下：
此方法的優(yōu)點是，發(fā)生碰撞時有減速效果，機床平穩(wěn)停止，不會造成較大沖擊，安全防護效果好；缺點是，硬件成本增加，安裝復(fù)雜，并且設(shè)計編程復(fù)雜，需要較高的設(shè)計水平進行功能測試。
4. 碰撞監(jiān)控功能介紹
“Collision avoidance” 碰撞監(jiān)控功能（6FC5800-0AS02-0YB0）可實時計算兩個保護區(qū)域（機床部件或者刀具）的間距，機床可以在線實時監(jiān)控刀具軌跡，防止發(fā)生碰撞。
此功能可用于多種機床類型。臥式加工中心，如 Y 軸上下與旋轉(zhuǎn)工作臺（B軸）；車削中心，如刀架與主軸、B 軸與主軸；五軸加工中心，如旋轉(zhuǎn)軸與主軸頭（擺臺型）；龍門鏜銑床，如附件頭與工件。
可在數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)置碰撞檢測參數(shù)，實時計算兩個保護區(qū)域（機床部件或者刀具）的間距，防止發(fā)生碰撞。碰撞識別和預(yù)防功能不論在自動還是點動運行方式下均可使用。碰撞識別和預(yù)防功能是用預(yù)讀功能得出的運動數(shù)據(jù)。
該功能對刀具運動軌跡的預(yù)判如圖3所示，預(yù)判時間可自由設(shè)置，保證碰撞被及時檢查。
圖3 刀具刀柄碰撞預(yù)判功能
應(yīng)用此功能，需要建立精確的機床模型，以及刀具和工件的模型。精確的模型可以準確預(yù)計膨脹位置，并輸出報警26280，使機床停止運動，保護機床和工件。
目前，此功能為西門子系統(tǒng)選項功能，客戶可以根據(jù)需要進行選購，對于航空航天領(lǐng)域的機械加工企業(yè)，機床設(shè)備和工件的材質(zhì)較為昂貴，非常有必要選購此功能進行碰撞監(jiān)控。
5. 結(jié)論
以上方法，既可用于大型雙龍門架機床，也可用于普通數(shù)控機床的防碰撞控制，簡單實用，安全可靠，可作為機床安全保護方法供參考借鑒。
作者：王紅亮 嚴昊明 王天宇（沈陽機床設(shè)計研究院） 來源：《世界制造技術(shù)與裝備市場（WMEM）》雜志2022年第2期
