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WMEM | 數(shù)控機(jī)床防碰撞及碰撞保護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用
WMEM | 數(shù)控機(jī)床防碰撞及碰撞保護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用
【摘要】數(shù)控機(jī)床意外碰撞是造成機(jī)床長時(shí)間故障停機(jī)、精度喪失、關(guān)重部件減壽甚至損壞的一項(xiàng)重要原因，數(shù)控機(jī)床一旦發(fā)生碰撞，將給企業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響企業(yè)科研生產(chǎn)。目前普遍開展的是通過管理方式進(jìn)行改善，規(guī)范操作及編程，降低犯錯(cuò)率。但如何從技術(shù)層面有效避免數(shù)控機(jī)床發(fā)生碰撞，或者即使發(fā)生碰撞，機(jī)床如何能快速停機(jī)，降低碰撞損失，實(shí)現(xiàn)碰撞保護(hù)，一直是擺在設(shè)備維護(hù)人員面前的難題，是設(shè)備維護(hù)人員研究和探索的技術(shù)方向。
數(shù)控機(jī)床尤其五軸數(shù)控機(jī)床，由于其機(jī)床本體結(jié)構(gòu)、加工路徑、操作、編程、工裝夾具等極為復(fù)雜，一旦出現(xiàn)操作及編程疏忽，如刀具長度、工件原點(diǎn)設(shè)置錯(cuò)誤，機(jī)床部件與毛坯件、工裝、夾具等輔助部件發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉（見圖1）等，都極易造成數(shù)控機(jī)床意外碰撞，輕則刀具破損，重則主軸、銑頭、工件損壞，機(jī)床精度喪失，長時(shí)間故障停機(jī)等，給企業(yè)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響企業(yè)科研生產(chǎn)。
圖1 五軸銑頭與工裝發(fā)生干涉
目前企業(yè)主要從加強(qiáng)管理入手，規(guī)范操作及編程。如培訓(xùn)操作人員規(guī)范操作，要求加工前必須進(jìn)行加工程序模擬仿真等，降低犯錯(cuò)率，從管理方面進(jìn)行預(yù)防，取得了一定的效果，但機(jī)床碰撞事件仍時(shí)有發(fā)生。
如何從技術(shù)層面有效避免數(shù)控機(jī)床發(fā)生碰撞，或者即使發(fā)生碰撞，機(jī)床如何能快速停機(jī)，降低碰撞損失，實(shí)現(xiàn)碰撞保護(hù)，是值得設(shè)備維護(hù)人員探索的兩個(gè)技術(shù)方向。本文將簡要介紹和說明針對(duì)以上兩個(gè)技術(shù)方向進(jìn)行的研究與應(yīng)用。
1. 數(shù)控機(jī)床防碰撞功能的研究與應(yīng)用
隨著數(shù)控系統(tǒng)不斷發(fā)展和升級(jí)，數(shù)據(jù)運(yùn)算處理能力不斷增強(qiáng)。目前一些高端數(shù)控系統(tǒng)，已經(jīng)陸續(xù)推出數(shù)控系統(tǒng)防碰撞功能，如海德漢數(shù)控系統(tǒng)DCM功能（動(dòng)態(tài)碰撞監(jiān)測功能）、西門子數(shù)控系統(tǒng)COLLISION AVOIDANCE功能（選項(xiàng)功能6FC5 800-0AS02-0YB0）、FIDIA數(shù)控系統(tǒng)VIMILL功能。該功能用于在數(shù)控系統(tǒng)中全面構(gòu)建機(jī)床實(shí)際加工的數(shù)字化環(huán)境，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)床部件、工裝、刀具、夾具之間的空間位置，避免在機(jī)床運(yùn)行過程中發(fā)生碰撞，提高機(jī)床運(yùn)行安全性。以下就以海德漢數(shù)控系統(tǒng)DCM功能為例，進(jìn)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(yīng)用幾何形狀，例如立方體、圓柱和平面，描述工作區(qū)和碰撞對(duì)象，同時(shí)還可以組合多個(gè)幾何體構(gòu)成復(fù)雜的機(jī)床部件，最后將這些3D實(shí)體插入到機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈中。
在機(jī)床實(shí)際加工過程中或測試模式下，DCM軟件都能實(shí)時(shí)監(jiān)控這些機(jī)床部件的相對(duì)位置，如果部件之間的間距小于3-5mm，則數(shù)控機(jī)床立即停止運(yùn)動(dòng)，同時(shí)數(shù)控系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)報(bào)警提示。DCM功能對(duì)數(shù)控系統(tǒng)要求：①#40選項(xiàng)功能“DCM Collision”；②MC 422B/C；
③系統(tǒng)版本不低于340 49x。
（2）DCM功能使用方法
一臺(tái)德馬吉五軸加工中心采用海德漢iTNC530數(shù)控系統(tǒng)，配有DCM系統(tǒng)功能，以下就以該設(shè)備為例，簡單介紹該功能的使用方法。
①建立機(jī)床部件實(shí)體。首先需要搭建機(jī)床的主件3D虛擬模型，通過使用Kinematics Design軟件對(duì)機(jī)床部件進(jìn)行描述定義（見圖2），通過使用限位面描述工作區(qū)域的限制，使用立方體以及圓柱體描述機(jī)床的一些主要部件，如工作臺(tái)、主軸頭、立柱、刀庫等。
圖2 機(jī)床主件模型
②建立夾具以及刀柄實(shí)體。同樣是使用Kinematics Design軟件對(duì)常用夾具以及刀柄進(jìn)行描述定義，并將生成的模板文件拷貝到數(shù)控系統(tǒng)TNC分區(qū)的根目錄下。為了生效夾具以及刀柄，必須在Kinematics Table中擴(kuò)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(shù)控系統(tǒng)上使用DCM功能。在手動(dòng)操作菜單項(xiàng)中，進(jìn)入COLLISION界面，可分別在程序運(yùn)行和手動(dòng)操作狀態(tài)下打開或關(guān)閉DCM功能，如圖4所示。
圖4 激活DCM功能界面
由于機(jī)床廠家已經(jīng)描述定義了DCM系統(tǒng)中的機(jī)床主體部件，為實(shí)現(xiàn)夾具監(jiān)控，需要進(jìn)入FIXTURE MANAGEMENT界面，如圖5所示，調(diào)用夾具模板文件（后綴名.cft），并根據(jù)實(shí)際情況修改模板尺寸并保存（后綴名.cfx）。然后進(jìn)入PLACE界面，利用機(jī)床配置的接觸式探頭測量功能，測出夾具在機(jī)床區(qū)域內(nèi)實(shí)際位置。
圖5 夾具設(shè)置界面
關(guān)于刀具參數(shù)，如刀長、直徑等，數(shù)控系統(tǒng)可以從刀具表中獲得。但刀柄的形狀則各不相同，為了實(shí)現(xiàn)刀柄監(jiān)控，還必須對(duì)刀柄的形狀進(jìn)行描述定義，如圖6所示，設(shè)定方法與夾具設(shè)置方法類似。
圖6 刀柄設(shè)置界面
在完成以上步驟后，一個(gè)模擬機(jī)床的實(shí)際加工環(huán)境建立起來了。當(dāng)機(jī)床移動(dòng)時(shí)，DCM功能實(shí)時(shí)模擬運(yùn)行，當(dāng)監(jiān)測到刀具與夾具之間距離＜5mm時(shí)，存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，數(shù)控系統(tǒng)會(huì)立即停止加工，并彈出報(bào)警提示信息DCM：Tool-Flex Jaw，如圖7所示。
圖7 DCM報(bào)警界面
2. 數(shù)控機(jī)床碰撞保護(hù)功能的研究與應(yīng)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(fā)生后瞬間持續(xù)的壓力狀態(tài)引起的，從碰撞發(fā)生到停止之間間隔的時(shí)間越長，則損害越大（見圖8）。數(shù)控機(jī)床發(fā)生碰撞后，數(shù)控系統(tǒng)會(huì)增加進(jìn)給力以達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)坐標(biāo)點(diǎn)，直到伺服電機(jī)扭矩或電流監(jiān)測超過數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置的限定值，且達(dá)到一定的持續(xù)時(shí)間（以西門子數(shù)控系統(tǒng)為例，持續(xù)時(shí)間200ms）后發(fā)出停機(jī)指令，并彈出報(bào)警提示信息，在此期間，機(jī)床與工件開始損壞、精度開始喪失。如何最大限度降低機(jī)床碰撞造成的損失，需要快速判斷機(jī)床是否發(fā)生碰撞，一旦判斷為碰撞事件，數(shù)控機(jī)床快速反應(yīng)停機(jī)，才能將損害降到最低。
圖8 碰撞損壞狀態(tài)
（1）碰撞保護(hù)功能
以一臺(tái)三軸立式加工中心為例，在機(jī)床主軸端安裝振動(dòng)傳感器，如圖9所示，越接近主軸鼻端效果越佳。通過振動(dòng)傳感器進(jìn)行數(shù)控機(jī)床碰撞識(shí)別，通常振動(dòng)加速度≥30m/s2時(shí)，判斷為碰撞事件，同時(shí)監(jiān)控模塊在3ms內(nèi)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，給機(jī)床控制系統(tǒng)觸發(fā)急停報(bào)警，機(jī)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(hù)原理
（2）碰撞保護(hù)功能測試試驗(yàn)
①試驗(yàn)條件：一臺(tái)三軸立式加工中心，配置FANUC 0I數(shù)控系統(tǒng)，以G00速度（最大移動(dòng)速度）分別從X和Z方向進(jìn)行兩次撞機(jī)測試（具體條件如表1所示），測量撞機(jī)前后主軸靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度差異，用以驗(yàn)證碰撞保護(hù)功能效果。
表1 測試條件
撞機(jī)前后主軸精度測量方法主要有動(dòng)態(tài)精度和靜態(tài)精度法。
靜態(tài)精度法：使用千分表測量在0mm（近端）和300mm（遠(yuǎn)端）處的跳動(dòng)，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(dòng)態(tài)精度法：利用三向振動(dòng)傳感器，測量主軸4000r/min空轉(zhuǎn)時(shí)，在X、Y、Z三個(gè)方向主軸振動(dòng)值，評(píng)估主軸軸承狀態(tài)。
②試驗(yàn)結(jié)果：通過兩次撞機(jī)測試，檢測撞機(jī)前后主軸靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)精度（如表2、表3所示），主軸靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度均未發(fā)生明顯變化，碰撞保護(hù)功能效果良好。
表2 主軸靜態(tài)精度
表3 主軸動(dòng)態(tài)精度
3. 結(jié)語
數(shù)控系統(tǒng)的防碰撞功能，對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)硬件配置以及系統(tǒng)版本都有較高的要求，同時(shí)需要搭建數(shù)控機(jī)床實(shí)際加工的數(shù)字化環(huán)境，因此不但需要數(shù)控機(jī)床本身的數(shù)模，且對(duì)于常用的刀具、夾具以及工裝都需要建數(shù)模，以致該功能的使用難度較大且過程較為繁瑣，但實(shí)現(xiàn)后能夠有效預(yù)防和避免碰撞的發(fā)生。
而采用振動(dòng)傳感器監(jiān)測的數(shù)控機(jī)床碰撞保護(hù)功能，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)本身配置沒有要求，安裝調(diào)試完成后就可以直接使用，功能實(shí)現(xiàn)較為簡易，但是需要額外的硬件采購成本。此外，該功能實(shí)現(xiàn)的是碰撞保護(hù)，無法預(yù)防碰撞的發(fā)生，只能降低數(shù)控機(jī)床碰撞造成的損失。
因此可根據(jù)數(shù)控機(jī)床的實(shí)際配置情況，靈活選用這兩種功能，對(duì)于新設(shè)備，在采購階段要求機(jī)床廠家配置數(shù)控系統(tǒng)防碰撞功能，而對(duì)于老舊設(shè)備，數(shù)控系統(tǒng)配置無法滿足防碰撞功能需求，升級(jí)換代的經(jīng)濟(jì)成本太高，則可考慮采用碰撞保護(hù)功能。通過采用這兩種方式，可以從技術(shù)層面有效解決數(shù)控機(jī)床碰撞問題。
作者：胡輝 洪忠杰【昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司】
來源：《世界制造技術(shù)與裝備市場（WMEM）》雜志2022年第2期
