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數控機床防碰撞及碰撞保護技術研究與應用

2022-5-7 來源：昌河飛機工業（集團）有限責任公司作者：胡輝洪忠杰

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。