WMEM | 数控机床防碰撞及碰撞保护技术研究与应用
【摘要】数控机床意外碰撞是造成机床长时间故障停机、精度丧失、关重部件减寿甚至损坏的一项重要原因，数控机床一旦发生碰撞，将给企业造成重大的经济损失，严重影响企业科研生产。目前普遍开展的是通过管理方式进行改善，规范操作及编程，降低犯错率。但如何从技术层面有效避免数控机床发生碰撞，或者即使发生碰撞，机床如何能快速停机，降低碰撞损失，实现碰撞保护，一直是摆在设备维护人员面前的难题，是设备维护人员研究和探索的技术方向。
数控机床尤其五轴数控机床，由于其机床本体结构、加工路径、操作、编程、工装夹具等极为复杂，一旦出现操作及编程疏忽，如刀具长度、工件原点设置错误，机床部件与毛坯件、工装、夹具等辅助部件发生运动干涉（见图1）等，都极易造成数控机床意外碰撞，轻则刀具破损，重则主轴、铣头、工件损坏，机床精度丧失，长时间故障停机等，给企业造成重大经济损失，严重影响企业科研生产。
图1 五轴铣头与工装发生干涉
目前企业主要从加强管理入手，规范操作及编程。如培训操作人员规范操作，要求加工前必须进行加工程序模拟仿真等，降低犯错率，从管理方面进行预防，取得了一定的效果，但机床碰撞事件仍时有发生。
如何从技术层面有效避免数控机床发生碰撞，或者即使发生碰撞，机床如何能快速停机，降低碰撞损失，实现碰撞保护，是值得设备维护人员探索的两个技术方向。本文将简要介绍和说明针对以上两个技术方向进行的研究与应用。
1. 数控机床防碰撞功能的研究与应用
随着数控系统不断发展和升级，数据运算处理能力不断增强。目前一些高端数控系统，已经陆续推出数控系统防碰撞功能，如海德汉数控系统DCM功能（动态碰撞监测功能）、西门子数控系统COLLISION AVOIDANCE功能（选项功能6FC5 800-0AS02-0YB0）、FIDIA数控系统VIMILL功能。该功能用于在数控系统中全面构建机床实际加工的数字化环境，实时监控机床部件、工装、刀具、夹具之间的空间位置，避免在机床运行过程中发生碰撞，提高机床运行安全性。以下就以海德汉数控系统DCM功能为例，进行介绍。
（1）DCM功能简介
海德汉DCM功能是通过海德汉Kinematics Design软件，应用几何形状，例如立方体、圆柱和平面，描述工作区和碰撞对象，同时还可以组合多个几何体构成复杂的机床部件，最后将这些3D实体插入到机床运动链中。
在机床实际加工过程中或测试模式下，DCM软件都能实时监控这些机床部件的相对位置，如果部件之间的间距小于3-5mm，则数控机床立即停止运动，同时数控系统会出现报警提示。DCM功能对数控系统要求：①#40选项功能“DCM Collision”；②MC 422B/C；
③系统版本不低于340 49x。
（2）DCM功能使用方法
一台德马吉五轴加工中心采用海德汉iTNC530数控系统，配有DCM系统功能，以下就以该设备为例，简单介绍该功能的使用方法。
①建立机床部件实体。首先需要搭建机床的主件3D虚拟模型，通过使用Kinematics Design软件对机床部件进行描述定义（见图2），通过使用限位面描述工作区域的限制，使用立方体以及圆柱体描述机床的一些主要部件，如工作台、主轴头、立柱、刀库等。
图2 机床主件模型
②建立夹具以及刀柄实体。同样是使用Kinematics Design软件对常用夹具以及刀柄进行描述定义，并将生成的模板文件拷贝到数控系统TNC分区的根目录下。为了生效夹具以及刀柄，必须在Kinematics Table中扩展定义TOOLFILE以及Clamp，如图3所示。
图3 Kinematics Table
③DCM功能使用方法。完成以上配置后，可在海德汉iTNC530数控系统上使用DCM功能。在手动操作菜单项中，进入COLLISION界面，可分别在程序运行和手动操作状态下打开或关闭DCM功能，如图4所示。
图4 激活DCM功能界面
由于机床厂家已经描述定义了DCM系统中的机床主体部件，为实现夹具监控，需要进入FIXTURE MANAGEMENT界面，如图5所示，调用夹具模板文件（后缀名.cft），并根据实际情况修改模板尺寸并保存（后缀名.cfx）。然后进入PLACE界面，利用机床配置的接触式探头测量功能，测出夹具在机床区域内实际位置。
图5 夹具设置界面
关于刀具参数，如刀长、直径等，数控系统可以从刀具表中获得。但刀柄的形状则各不相同，为了实现刀柄监控，还必须对刀柄的形状进行描述定义，如图6所示，设定方法与夹具设置方法类似。
图6 刀柄设置界面
在完成以上步骤后，一个模拟机床的实际加工环境建立起来了。当机床移动时，DCM功能实时模拟运行，当监测到刀具与夹具之间距离＜5mm时，存在碰撞风险，数控系统会立即停止加工，并弹出报警提示信息DCM：Tool-Flex Jaw，如图7所示。
图7 DCM报警界面
2. 数控机床碰撞保护功能的研究与应用
研究表明，大部分伤害不是由碰撞本身造成的，而是由碰撞发生后瞬间持续的压力状态引起的，从碰撞发生到停止之间间隔的时间越长，则损害越大（见图8）。数控机床发生碰撞后，数控系统会增加进给力以达到设定的目标坐标点，直到伺服电机扭矩或电流监测超过数控系统设置的限定值，且达到一定的持续时间（以西门子数控系统为例，持续时间200ms）后发出停机指令，并弹出报警提示信息，在此期间，机床与工件开始损坏、精度开始丧失。如何最大限度降低机床碰撞造成的损失，需要快速判断机床是否发生碰撞，一旦判断为碰撞事件，数控机床快速反应停机，才能将损害降到最低。
图8 碰撞损坏状态
（1）碰撞保护功能
以一台三轴立式加工中心为例，在机床主轴端安装振动传感器，如图9所示，越接近主轴鼻端效果越佳。通过振动传感器进行数控机床碰撞识别，通常振动加速度≥30m/s²时，判断为碰撞事件，同时监控模块在3ms内发出报警信号，给机床控制系统触发急停报警，机床快速停止，如图10所示，将碰撞造成的损坏降到最低。
图9 传感器安装
图10 碰撞保护原理
（2）碰撞保护功能测试试验
①试验条件：一台三轴立式加工中心，配置FANUC 0I数控系统，以G00速度（最大移动速度）分别从X和Z方向进行两次撞机测试（具体条件如表1所示），测量撞机前后主轴静态和动态精度差异，用以验证碰撞保护功能效果。
表1 测试条件
撞机前后主轴精度测量方法主要有动态精度和静态精度法。
静态精度法：使用千分表测量在0mm（近端）和300mm（远端）处的跳动，以及主轴轴线与Z轴在Y-Z平面和 X-Z 平面的平行度，如图11所示。
图11 主轴精度测量
动态精度法：利用三向振动传感器，测量主轴4000r/min空转时，在X、Y、Z三个方向主轴振动值，评估主轴轴承状态。
②试验结果：通过两次撞机测试，检测撞机前后主轴静态精度和动态精度（如表2、表3所示），主轴静态和动态精度均未发生明显变化，碰撞保护功能效果良好。
表2 主轴静态精度
表3 主轴动态精度
3. 结语
数控系统的防碰撞功能，对于数控系统硬件配置以及系统版本都有较高的要求，同时需要搭建数控机床实际加工的数字化环境，因此不但需要数控机床本身的数模，且对于常用的刀具、夹具以及工装都需要建数模，以致该功能的使用难度较大且过程较为繁琐，但实现后能够有效预防和避免碰撞的发生。
而采用振动传感器监测的数控机床碰撞保护功能，对数控系统本身配置没有要求，安装调试完成后就可以直接使用，功能实现较为简易，但是需要额外的硬件采购成本。此外，该功能实现的是碰撞保护，无法预防碰撞的发生，只能降低数控机床碰撞造成的损失。
因此可根据数控机床的实际配置情况，灵活选用这两种功能，对于新设备，在采购阶段要求机床厂家配置数控系统防碰撞功能，而对于老旧设备，数控系统配置无法满足防碰撞功能需求，升级换代的经济成本太高，则可考虑采用碰撞保护功能。通过采用这两种方式，可以从技术层面有效解决数控机床碰撞问题。
作者：胡辉 洪忠杰【昌河飞机工业（集团）有限责任公司】
来源：《世界制造技术与装备市场（WMEM）》杂志2022年第2期