數(shù)控車床防撞刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃 娟 周燕飛 易 洋

（南京航空航天大學(xué)工程訓(xùn)練中心，江蘇南京211100）

數(shù)控技術(shù)是機(jī)械加工自動(dòng)化的基礎(chǔ)，是先進(jìn)制造技術(shù)的核心。數(shù)控機(jī)床是先進(jìn)制造技術(shù)的典型代表，是數(shù)控加工教學(xué)的必備設(shè)施。對(duì)于規(guī)?；墓こ逃?xùn)練，訓(xùn)練周期一般較短，學(xué)生只能掌握基本的數(shù)控技術(shù)知識(shí)，完成基本的加工訓(xùn)練。在訓(xùn)練過(guò)程中，學(xué)生操作生疏，撞刀現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。這不但影響了訓(xùn)練效率，而且嚴(yán)重影響了機(jī)床的精度，增加了機(jī)床維修頻率和刀具損耗量。

1 數(shù)控加工實(shí)踐教學(xué)中存在的主要問(wèn)題

數(shù)控加工訓(xùn)練教學(xué)的基本目標(biāo)是，學(xué)生經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，能根據(jù)零件圖紙進(jìn)行數(shù)控加工工藝分析，編制數(shù)控程序并自主完成作業(yè)件的加工。數(shù)控加工實(shí)踐教學(xué)包括編程理論課和現(xiàn)場(chǎng)操作課兩部分。學(xué)生向系統(tǒng)輸入程序后，現(xiàn)場(chǎng)加工時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生撞刀現(xiàn)象，撞刀往往導(dǎo)致刀具損壞和機(jī)床精度降低，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)控制板損壞、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)功能喪失。撞刀問(wèn)題是困擾數(shù)控加工教學(xué)的主要問(wèn)題。

數(shù)控機(jī)床加工零件的過(guò)程包括：操作者根據(jù)圖紙編制出零件程序，然后輸入相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)，接著鎖住機(jī)床調(diào)試程序，再接著裝夾工件對(duì)刀，對(duì)刀完畢，啟動(dòng)程序進(jìn)行加工（如圖1）。

在整個(gè)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生嚴(yán)重撞刀的原因有：

（1）在編制零件程序的環(huán)節(jié)中程序編制出錯(cuò)。一般情況下，程序中關(guān)于刀具走刀軌跡的描述，可通過(guò)系統(tǒng)圖形模擬的功能來(lái)進(jìn)行測(cè)試和校正，但是程序中關(guān)于調(diào)用刀具補(bǔ)償?shù)闹噶睿═指令），系統(tǒng)無(wú)法驗(yàn)證，如果沒(méi)有編制刀具指令（如表1）或刀具指令位置錯(cuò)誤（如表2）就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重撞刀。

（2）在調(diào)試程序過(guò)程中操作出錯(cuò)。一般數(shù)控機(jī)床都有機(jī)床鎖住功能，機(jī)床一旦被鎖住，各運(yùn)動(dòng)部件就不會(huì)動(dòng)作。機(jī)床鎖住功能用于調(diào)試程序，在調(diào)試程序時(shí)，首先鎖住機(jī)床，然后再執(zhí)行程序，這時(shí)機(jī)床的坐標(biāo)是跟隨程序中指令的變化而變化，但實(shí)際機(jī)床的拖板不移動(dòng)。這時(shí)機(jī)床坐標(biāo)值因?yàn)榕c拖板不同步而使坐標(biāo)系發(fā)生了偏差。如果要恢復(fù)機(jī)床坐標(biāo)系，唯一的方法就是在解鎖后必須重新手動(dòng)回參考點(diǎn)建立機(jī)床坐標(biāo)系。在整個(gè)的操作過(guò)程中，如果忘記了重新回參考點(diǎn)的操作，解鎖后直接執(zhí)行下一步的操作，就會(huì)因?yàn)闄C(jī)床坐標(biāo)的不統(tǒng)一和不確定性而引起機(jī)床的嚴(yán)重撞刀。

表1 沒(méi)有編制刀具指令

表2 刀具指令位置錯(cuò)誤

（3）在對(duì)刀操作中出錯(cuò)。編程人員在編制程序時(shí)，一般采用假想刀尖進(jìn)行編程，而實(shí)際加工時(shí)使用不同刀具的刀尖點(diǎn)進(jìn)行切削，這時(shí)候，操作人員必須對(duì)程序中用到的每一把刀具進(jìn)行對(duì)刀，計(jì)算出實(shí)際刀具與假想的偏差值，并輸入相對(duì)應(yīng)的刀補(bǔ)號(hào)中。在這個(gè)操作過(guò)程中，容易發(fā)生錯(cuò)誤的因素是輸入刀補(bǔ)值的刀補(bǔ)號(hào)與程序中調(diào)用的刀補(bǔ)號(hào)不對(duì)應(yīng)。在這種情況下，也會(huì)引起撞刀。

（4）在啟動(dòng)程序過(guò)程中出錯(cuò)。針對(duì)FANUC系統(tǒng)，系統(tǒng)從當(dāng)前程序光標(biāo)停留的位置開(kāi)始執(zhí)行程序。正常加工前，必須在編輯方式把光標(biāo)移到程序的開(kāi)頭。如果忘記了這個(gè)操作，就有可能在加工過(guò)程中撞刀。

（5）程序中刀具退刀位置與機(jī)床附件發(fā)生干涉引起的碰撞。在數(shù)控車床中，刀具一般安裝在回轉(zhuǎn)刀盤(pán)上。在整個(gè)工作區(qū)域中，刀盤(pán)體積比較大，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，容易與車床的尾架、中心架等部件相撞。

2 系統(tǒng)方案的制定和實(shí)現(xiàn)過(guò)程

針對(duì)以上對(duì)數(shù)控加工中可能發(fā)生撞刀因素的剖析，從改進(jìn)機(jī)床電氣設(shè)計(jì)的角度來(lái)制定如下方案來(lái)避免發(fā)生撞刀的現(xiàn)象。

2.1 在編制零件程序和啟動(dòng)程序過(guò)程中，引起撞刀的解決方案

在編制零件程序和啟動(dòng)程序過(guò)程中，引起撞刀的原因都與刀具指令的執(zhí)行有關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)正常執(zhí)行NC程序的順序是從程序中當(dāng)前光標(biāo)停留的位置開(kāi)始從上往下執(zhí)行，一個(gè)程序段執(zhí)行完畢，執(zhí)行下一個(gè)程序段。如果數(shù)控系統(tǒng)在沒(méi)有執(zhí)行刀具指令（即沒(méi)有調(diào)用刀補(bǔ)）的情況下執(zhí)行刀具移動(dòng)指令，數(shù)控機(jī)床就會(huì)撞刀。從機(jī)床電氣設(shè)計(jì)的角度，可以通過(guò)改變控制系統(tǒng)執(zhí)行NC程序的常規(guī)過(guò)程，來(lái)避免這種誤操作造成的撞刀現(xiàn)象。數(shù)控機(jī)床在自動(dòng)加工過(guò)程中，如果執(zhí)行了刀具指令，數(shù)控系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)刀具指令完成信號(hào)。該信號(hào)由數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)置PLC根據(jù)CNC檢測(cè)到的刀具選通信號(hào)、刀具當(dāng)前位置和刀具目標(biāo)位置，按照刀架的換刀邏輯，正確換刀完成后獲得。在執(zhí)行程序時(shí)，系統(tǒng)增加檢測(cè)是否有換刀指令并完成的環(huán)節(jié)。如果系統(tǒng)接受到換刀完成指令，系統(tǒng)則正常執(zhí)行程序；如果系統(tǒng)在沒(méi)有接受到換刀完成指令前，執(zhí)行快速移動(dòng)或切削進(jìn)給指令，系統(tǒng)自動(dòng)輸出相應(yīng)的報(bào)警信息，同時(shí)使機(jī)床停止加工。流程圖如圖2。

數(shù)控機(jī)床的邏輯控制順序通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)置PLC完成。以FANUC數(shù)控系統(tǒng)為例介紹如何編制PLC程序來(lái)完成以上流程的順序控制。數(shù)控系統(tǒng)換刀指令完成信號(hào)R31.0取于原PLC中換刀邏輯程序中的中間繼電器值，刀具移動(dòng)指令（快移指令或切削指令）的信號(hào)取于數(shù)控系統(tǒng)CNC-PLC的F地址。報(bào)警信息的輸出通過(guò)觸發(fā)A地址來(lái)完成，機(jī)床的緊急停止通過(guò)觸發(fā)系統(tǒng)從PLC-CNC的G地址來(lái)完成。PLC程序如圖3。圖中：F1.1復(fù)位信號(hào)；F0.5為循環(huán)啟動(dòng)信號(hào)；F2.1為快速進(jìn)給信號(hào)；F2.6為切削進(jìn)給信號(hào)；F7.3為刀具功能選通信號(hào)；X9.7為進(jìn)給暫停按鈕；G8.5為進(jìn)給暫停信號(hào)；R501.0為在自動(dòng)方式下執(zhí)行程序并完成換刀指令；R501.1為在自動(dòng)方式下，沒(méi)有完成換刀指令而執(zhí)行快移或切削指令；A0.1為報(bào)警信號(hào)。

2.2 在調(diào)試程序和操作過(guò)程中，引起撞刀的解決方案

在調(diào)試程序和操作的過(guò)程中，引起撞刀的原因都與機(jī)床鎖住功能有關(guān)。通常情況下，數(shù)控機(jī)床在機(jī)床鎖住狀態(tài)，機(jī)床的各運(yùn)動(dòng)部件被鎖住，不能運(yùn)動(dòng)，機(jī)床可以模擬執(zhí)行程序。數(shù)控機(jī)床被解鎖后，機(jī)床的各運(yùn)動(dòng)部件也即被解鎖，所有功能恢復(fù)，系統(tǒng)可以啟動(dòng)程序。這時(shí)，如果機(jī)床直接對(duì)刀或加工工件，就會(huì)引起撞刀。原因是機(jī)床鎖住后引起的坐標(biāo)系變化造成坐標(biāo)不統(tǒng)一。只有通過(guò)手動(dòng)回參考點(diǎn)的操作才能使坐標(biāo)系恢復(fù)。從機(jī)床電氣設(shè)計(jì)的角度，可以通過(guò)改變系統(tǒng)自動(dòng)方式啟動(dòng)程序的允許條件來(lái)避免這種誤操作造成的撞刀。數(shù)控機(jī)床的機(jī)床鎖住功能是通過(guò)機(jī)床上的按鈕動(dòng)作完成的，按鈕在ON位置即機(jī)床鎖住，按鈕在OFF位置即機(jī)床解鎖。在自動(dòng)方式啟動(dòng)程序時(shí)，不立即執(zhí)行程序，增加檢測(cè)機(jī)床鎖住開(kāi)關(guān)信號(hào)的環(huán)節(jié)，如果機(jī)床處于鎖住狀態(tài)，程序允許啟動(dòng)，相當(dāng)于程序模擬。如果機(jī)床處于解鎖狀態(tài)，再檢測(cè)機(jī)床是否被鎖過(guò)信號(hào)，該信號(hào)為機(jī)床鎖住開(kāi)關(guān)的自鎖信號(hào)，只有通過(guò)機(jī)床手動(dòng)回參考點(diǎn)的操作來(lái)解鎖。如果機(jī)床被鎖過(guò)，則不允許啟動(dòng)程序，同時(shí)系統(tǒng)輸出相應(yīng)報(bào)警信息，提示操作者應(yīng)該重新回參考點(diǎn)。如果機(jī)床沒(méi)被鎖過(guò)，則正常執(zhí)行程序。流程圖如圖4。

FANUC系統(tǒng)中，機(jī)床鎖住通過(guò)系統(tǒng)中操作PN按鈕來(lái)完成，該信號(hào)地址為F75.4。機(jī)床被鎖過(guò)信號(hào)為F75.4的自鎖信號(hào)，分別為X軸自鎖信號(hào)R500.0和R500.1，該信號(hào)通過(guò)回參考點(diǎn)完成信號(hào) R500.3和R500.4來(lái)解鎖。程序啟動(dòng)的限制通過(guò)限制PLCCNC的信號(hào)G7.2來(lái)完成。報(bào)警信息輸出通過(guò)觸發(fā)A地址來(lái)完成。PLC程序如圖5。圖中：F75.4為機(jī)床鎖住按鈕；F4.5為回參考點(diǎn)方式；X9.0為X軸減速開(kāi)關(guān)；X9.1為Z軸減速開(kāi)關(guān)；X9.2為+Z鍵；X8.5為+X鍵；X9.6為循環(huán)啟動(dòng)按鈕；R500.0和R500.1為機(jī)床被鎖過(guò)信號(hào)；R500.3和R500.4為機(jī)床解鎖后X軸和Z軸分別重新回到參考點(diǎn)標(biāo)志；G7.2為循環(huán)啟動(dòng)信號(hào)；A0.2為報(bào)警信號(hào)。

2.3 刀架與機(jī)床附件發(fā)生干涉，引起碰撞的解決方案

刀架與機(jī)床附件發(fā)生碰撞的原因主要是操作者不熟悉機(jī)床的硬件結(jié)構(gòu)造成的。從機(jī)床電氣設(shè)計(jì)的角度，可以在刀架外側(cè)增加無(wú)觸點(diǎn)傳感器檢測(cè)，然后通過(guò)PLC控制來(lái)實(shí)現(xiàn)碰撞前的機(jī)床急停，從而避免撞刀。

首先選擇一個(gè)適合在刀架側(cè)面安裝的方型無(wú)觸點(diǎn)感應(yīng)開(kāi)關(guān)，并連接至機(jī)床電柜中系統(tǒng)的輸入空地址（如圖6），然后通過(guò)編制PLC程序來(lái)實(shí)現(xiàn)碰撞前的機(jī)床急停。輸入開(kāi)關(guān)信號(hào)接成常閉形式，當(dāng)機(jī)床正常操作時(shí)，該信號(hào)為“1”；當(dāng)?shù)都芸拷鼨C(jī)床附件時(shí)，觸發(fā)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，信號(hào)從“1”變?yōu)椤?”，這時(shí)緊急停止機(jī)床，并報(bào)警提示操作人員。因?yàn)椴捎玫氖歉袘?yīng)開(kāi)關(guān)，所以在發(fā)生碰撞前就停止了機(jī)床，從而避免了碰撞引起的沖擊。PLC程序如圖7。

X13.7為刀盤(pán)防碰撞開(kāi)關(guān)信號(hào)；X9.7為進(jìn)給保持按鈕；A0.2為報(bào)警信號(hào)；G8.5為系統(tǒng)進(jìn)給暫停信號(hào)。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)數(shù)控教學(xué)中經(jīng)常發(fā)生的撞刀現(xiàn)象，使用以上方法改進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)，打破了系統(tǒng)執(zhí)行程序的常規(guī)過(guò)程后，避免了撞刀現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)以報(bào)警信號(hào)的形式，提示了操作人員操作或編程的錯(cuò)誤原因，方便了操作人員診斷。特別是在教學(xué)過(guò)程中，使用以上方法后，解決了學(xué)生在不熟練的情況下練習(xí)操作的過(guò)程中易發(fā)生的撞刀現(xiàn)象，同時(shí)為學(xué)校節(jié)省了刀具耗材的使用量和機(jī)床的維修費(fèi)用開(kāi)支。

［1］董麗華.數(shù)控加工編程與操作實(shí)用技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［2］宋松.FANUC 0I系列數(shù)控系統(tǒng)維修診斷與實(shí)踐［M］.沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

［3］高欽和.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計(jì)實(shí)例［M］.北京：人民郵電出版社，2004.