WMEM | 数控机床防碰撞及碰撞掩护手艺研讨与操纵

【择要】数控机床不测碰撞是形成机床永劫间毛病停机、精度丧失、关重部件减寿乃至破坏的一项首要缘由，数控机床一旦产生碰撞，将给企业形成严峻的经济丧失，严峻影响企业科研出产。今朝遍及展开的是经由进程办理体例遏制改良，标准操纵及编程，下降出错率。但若何从手艺层面有用防止数控机床产生碰撞，或即便产生碰撞，机床若何能疾速停机，下降碰撞丧失，完成碰撞掩护，一向是摆在设备掩护职员眼前的困难，是设备掩护职员研讨和摸索的手艺标的目的。

数控机床特别五轴数控机床，因为其机床本体布局、加工途径、操纵、编程、工装夹具等极其庞杂，一旦呈现操纵及编程忽视，如刀具长度、工件原点设置毛病，机床部件与毛坯件、工装、夹具等帮助部件产生勾当干与（见图1）等，都极易形成数控机床不测碰撞，轻则刀具破坏，重则主轴、铣头、工件破坏，机床精度丧失，永劫间毛病停机等，给企业形成严峻经济丧失，严峻影响企业科研出产。

图1  五轴铣头与工装产生干与

今朝企业首要从加强办理动手，标准操纵及编程。如培训操纵职员标准操纵，请求加工前必须遏制加工法式摹拟仿真等，下降出错率，从办理方面遏制防备，取得了必然的成果，但机床碰撞事务仍时有产生。

若何从手艺层面有用防止数控机床产生碰撞，或即便产生碰撞，机床若何能疾速停机，下降碰撞丧失，完成碰撞掩护，是值得设备掩护职员摸索的两个手艺标的目的。本文将扼要先容和申明针对以上两个手艺标的目的遏制的研讨与操纵。

1. 数控机床防碰撞功效的研讨与操纵

跟着数控体系不时成长和进级，数据运算处置能力不时加强。今朝一些高端数控体系，已连续推出数控体系防碰撞功效，如海德汉数控体系DCM功效（静态碰撞监测功效）、西门子数控体系COLLISION AVOIDANCE功效（选项功效6FC5 800-0AS02-0YB0）、FIDIA数控体系VIMILL功效。该功效用于在数控体系中周全构建机床现实加工的数字化环境，及时监控机床部件、工装、刀具、夹具之间的空间地位，防止在机床运转进程中产生碰撞，进步机床运转宁静性。以下就以海德汉数控体系DCM功效为例，遏制先容。

（1）DCM功效简介

海德汉DCM功效是经由进程海德汉Kinematics Design软件，操纵多少外形，比方立方体、圆柱战争面，描写任务区和碰撞东西，同时还能够或许组合多个多少体组成庞杂的机床部件，最初将这些3D实体拔出到机床勾当链中。

在机床现实加工进程中或测试形式下，DCM软件都能及时监控这些机床部件的绝对地位，若是部件之间的间距小于3-5mm，则数控机床当即遏制勾当，同时数控体系会呈现报警提醒。DCM功效对数控体系请求：①#40选项功效“DCM Collision”；②MC 422B/C；

③体系版本不低于340  49x。

（2）DCM功效操纵体例

一台德马吉五轴加工中间接纳海德汉iTNC530数控体系，配有DCM体系功效，以下就以该设备为例，简略先容该功效的操纵体例。

①成立机床部件实体。起首须要搭建机床的主件3D假造模子，经由进程操纵Kinematics Design软件对机床部件遏制描写界说（见图2），经由进程操纵限位面描写任务地区的限制，操纵立方体和圆柱体描写机床的一些首要部件，如任务台、主轴头、立柱、刀库等。

图2  机床主件模子

②成立夹具和刀柄实体。一样是操纵Kinematics Design软件对经常操纵夹具和刀柄遏制描写界说，并将天生的模板文件拷贝到数控体系TNC分区的根目次下。为了失效夹具和刀柄，必须在Kinematics Table中扩大界说TOOLFILE和Clamp，如图3所示。

图3  Kinematics Table

③DCM功效操纵体例。完成以上设置设备摆设后，可在海德汉iTNC530数控体系上操纵DCM功效。在手动操纵菜单项中，进入COLLISION界面，可别离在法式运转和手动操纵状况下翻开或封闭DCM功效，如图4所示。

图4  激活DCM功效界面

因为机床厂家已描写界说了DCM体系中的机床主体部件，为完成夹具监控，须要进入FIXTURE MANAGEMENT界面，如图5所示，挪用夹具模板文件（后缀名.cft），并按照现实环境点窜模板尺寸并保管（后缀名.cfx）。而后进入PLACE界面，操纵机床设置设备摆设的打仗式探头丈量功效，测出夹具在机床地区内现实地位。

图5  夹具设置界面

对刀具参数，如刀长、直径等，数控体系能够或许从刀具表中取得。但刀柄的外形则各不不异，为了完成刀柄监控，还必须对刀柄的外形遏制描写界说，如图6所示，设定体例与夹具设置体例近似。

图6  刀柄设置界面

在完成以上步骤后，一个摹拟机床的现实加工环境成立起来了。当机床挪动时，DCM功效及时摹拟运转，当监测到刀具与夹具之间距离＜5mm时，存在碰撞危险，数控体系会当即遏制加工，并弹出报警提醒信息DCM：Tool-Flex Jaw，如图7所示。

图7  DCM报警界面

2. 数控机床碰撞掩护功效的研讨与操纵

研讨标明，大局部危险不是由碰撞自身形成的，而是由碰撞产生后刹时延续的压力状况引发的，从碰撞产生到遏制之间距离的时候越长，则侵害越大（见图8）。数控机床产生碰撞后，数控体系会增添进给力以到达设定的方针坐标点，直到伺服机电扭矩或电流监测跨越数控体系设置的限制值，且到达必然的延续时候（以西门子数控体系为例，延续时候200ms）后收回停机指令，并弹出报警提醒信息，在此时代，机床与工件起头破坏、精度起头丧失。若何最大限制下降机床碰撞形成的丧失，须要疾速判定机床是不是产生碰撞，一旦判定为碰撞事务，数控机床疾速反映停机，能力将侵害降到最低。

图8  碰撞破坏状况

（1）碰撞掩护功效

以一台三轴立式加工中间为例，在机床主轴端装置振动传感器，如图9所示，越靠近主轴鼻端成果越佳。经由进程振动传感器遏制数控机床碰撞辨认，凡是振动加快度≥30m/s²时，判定为碰撞事务，同时监控模块在3ms内收回报警旌旗灯号，给机床节制体系触发急停报警，机床疾速遏制，如图10所示，将碰撞形成的破坏降到最低。

图9  传感器装置

图10  碰撞掩护道理

（2）碰撞掩护功效测试实验

①实验前提：一台三轴立式加工中间，设置设备摆设FANUC 0I数控体系，以G00速率（最大挪动速率）别离从X和Z标的目的遏制两次撞机测试（详细前提如表1所示），丈量撞机前后主轴静态和静态精度差别，用以考证碰撞掩护功效成果。

表1  测试前提

撞机前后主轴精度丈量体例首要有静态精度和静态精度法。

静态精度法：操纵千分表丈量在0mm（近端）和300mm（远端）处的跳动，和主轴轴线与Z轴在Y-Z立体和 X-Z 立体的平行度，如图11所示。

图11  主轴精度丈量

静态精度法：操纵三向振动传感器，丈量主轴4000r/min空转时，在X、Y、Z三个标的目的主轴振动值，评价主轴轴承状况。

②实验成果：经由进程两次撞机测试，检测撞机前后主轴静态精度和静态精度（如表2、表3所示），主轴静态和静态精度均未产生较着变更，碰撞掩护功效成果杰出。

表2  主轴静态精度

表3  主轴静态精度

3. 结语

数控体系的防碰撞功效，对数控体系硬件设置设备摆设和体系版本都有较高的请求，同时须要搭建数控机床现实加工的数字化环境，是以岂但须要数控机床自身的数模，且对经常操纵的刀具、夹具和工装都须要建数模，乃至该功效的操纵难度较大且进程较为烦琐，但完成后能够或许有用防备和防止碰撞的产生。

而接纳振动传感器监测的数控机床碰撞掩护功效，对数控体系自身设置设备摆设不请求，装置调试完成后便能够或许间接操纵，功效完成较为简略单纯，可是须要额定的硬件推销本钱。另外，该功效完成的是碰撞掩护，没法防备碰撞的产生，只能下降数控机床碰撞形成的丧失。

是以可按照数控机床的现实设置设备摆设环境，矫捷选用这两种功效，对新设备，在推销阶段请求机床厂家设置设备摆设数控体系防碰撞功效，而对老旧设备，数控体系设置设备摆设没法知足防碰撞功效需要，进级换代的经济本钱太高，则可斟酌接纳碰撞掩护功效。经由进程接纳这两种体例，能够或许从手艺层面有用处理数控机床碰撞题目。

作者：胡辉 洪忠杰【昌河飞机产业（团体）无限义务公司】

来历：《天下制作手艺与设备市场（WMEM）》杂志2022年第2期