淺談數(shù)控機床防碰撞保護方法

宋福林

（長沙航空職業(yè)技術(shù)學院，湖南 長沙 410124）

淺談數(shù)控機床防碰撞保護方法

宋福林

（長沙航空職業(yè)技術(shù)學院，湖南 長沙 410124）

以FANUC數(shù)控系統(tǒng)為例，分析數(shù)控機床防碰撞保護常用的方法，說明通過FANUC系統(tǒng)的伺服異常負載檢測功能實現(xiàn)防碰撞保護功能的具體調(diào)試步驟，以及進一步保護的措施并在實際中應(yīng)用與驗證可行。

數(shù)控機床；防碰撞保護；伺服；異常負載檢測

隨著我國制造業(yè)的快速發(fā)展，我國對數(shù)控設(shè)備需求也急劇增長，尤其是近年航空制造產(chǎn)業(yè)高速增長，在航空制造企業(yè)中數(shù)控設(shè)備也越來越普及，航空類零件通常形狀復雜、加工精度要求高，高端數(shù)控機床以其高柔性、高精度及高效率，得到了廣泛的應(yīng)用，成為航空制造加工中最重要的設(shè)備，但高端數(shù)控機床的價格不菲，而且其維修備件的成本高，尤其是機床的高精密的主軸部件的維修成本越來越受到企業(yè)的重視。如何降低數(shù)控機床維護的的維修維護成本，尤其是降低機床操作者的失誤造成的碰撞，而引發(fā)的非常規(guī)維護成本，成為數(shù)控機床維修維護人員的一項新興的課題。

目前數(shù)控機床防碰撞措施通常采用以下兩種方法：1)首件試切法，即在成批量零件的首件加工時，從該零件裝夾直到最終零件加工結(jié)束，期間所有的環(huán)節(jié)，包含工件裝夾找正、刀具裝夾、對刀、程序校驗以及零件每道工序的加工過程等等，每完成一項都需要反復確認是否正確，以保證加工安全。2)機床行程限位保護法，即根據(jù)不同大小的零件和不同長短的刀具，通過設(shè)置機床行程限位保護參數(shù)來限制機床的行程，以降低機床碰撞的概率。以上兩種方法對機床操作者要求除了掌握數(shù)控機床的操作方法，還需要熟悉零件的工藝、編程以及數(shù)控機床的參數(shù)設(shè)置，大部分的操作工都無法根據(jù)不同的情況去調(diào)整，所以無法有效的解決碰撞的難題以及如何減少機床碰撞造成的損失，只能是降低機床碰撞的幾率，不能從根本上解決問題。

本文結(jié)合上述預防措施的優(yōu)缺點采用FANUC數(shù)控系統(tǒng)的伺服異常負載檢測功能來實現(xiàn)對機床保護，該方案不但在零件的編程和數(shù)控機床的操作錯誤時能對機床進行保護，還能對數(shù)控加工過程中因刀具磨損等其他因素產(chǎn)生的伺服異常負載起到保護作用，有效地避免了機床加工過程中不可預料碰撞的發(fā)生，降低了機床維修成本。

圖1 FANUC伺服系統(tǒng)外力干擾負載工作原理

1 數(shù)控機床伺服異常檢測功能的原理

如圖1所示，F(xiàn)ANUC伺服系統(tǒng)的高速采樣周期對施加到電機上的外力干擾負載扭矩進行實時地觀測和計算，在機床發(fā)生碰撞的時候，伺服電機承受的外力扭矩突然增大，伺服系統(tǒng)將此時電機承受的外力扭矩與在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的碰撞發(fā)生時機床能夠承受的外力扭矩的最大值相比較。如果小于設(shè)置的外力扭矩的最大值，系統(tǒng)正常運行。如果大于設(shè)置的外力扭矩的最大值，伺服系統(tǒng)產(chǎn)生報警，同時伺服系統(tǒng)向伺服電機發(fā)出指令，使伺服電機向相反的方向運動， 機械系統(tǒng)與工件碰撞面脫離，從而對機床起到保護作用。

2 數(shù)控機床防碰撞功能的實現(xiàn)

FANUC系統(tǒng)在設(shè)計是提供了機床的異常負載檢測功能，但是不同的機床的負載情況都不一樣，這就需要數(shù)控機床廠家根據(jù)不同的數(shù)控設(shè)備來匹配相應(yīng)的數(shù)據(jù)，來保護機床。FANUC系統(tǒng)異常負載檢測功能使用系統(tǒng)的觀測增益功能參數(shù)來區(qū)分正常負載與異常負載的，再通過FANUC系統(tǒng)的異常負載報警功能參數(shù)來實現(xiàn)報警和保護機床。具體操作步驟如下：

1）接通系統(tǒng)電源，將2016號參數(shù)的第0位ABNT設(shè)置為“1”，即伺服電機異常檢測功能有效。

2）調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)2047號參數(shù)，即伺服電機的觀測器POA1參數(shù)。如圖2所示在數(shù)控機床正常切削加工時，通過FANUC系統(tǒng)自帶伺服電機波形診斷功能來觀測電機和外力干擾的推測值，根據(jù)不同的機床要一邊觀測加速時和減速時的外力干擾推測的波形，來找出超程和欠程最少的POA1數(shù)值，并設(shè)置到2047號參數(shù)中[1]。

圖2 FANUC伺服電機波形診斷

3）異常負載檢測報警水平的設(shè)定。觀測在進行各類操作，如切削加工時、快速移動時、進給軸加減速等狀態(tài)時正常負載推測值，測出其最大值（絕對值），并將改值設(shè)置到系統(tǒng)2104號參數(shù)[2]。

設(shè)定值=|電機負載最大值|/放大器最大電流值×7282＋500～1000左右

4）設(shè)定異常負載檢測時的返回量。在機床發(fā)生碰撞時，為了保護機床的機械進給部件不受損傷，使機械進給部件回退一定距離，起到保護作用。我們需要對“異常負載檢測時的返回量”2013號參數(shù)進行設(shè)置，此值設(shè)定根據(jù)加工時具體情況而定，標準設(shè)定為3mm。如果設(shè)置為0，表示在碰撞發(fā)生后，伺服電機停止運行。

3結(jié)論

使用異常負載監(jiān)測功能實現(xiàn)防碰撞保護，通過在我單位數(shù)控機床中應(yīng)用證明：此方法可靠高，成本低，容易推廣，避免了數(shù)控機床機械部件和數(shù)控系統(tǒng)的損傷，大大降低了機床維修費用，提高了經(jīng)濟效益。若更進一步FANUC系統(tǒng)還可以通PMC梯形圖程序的讀窗口功能指令（如圖1），來讀取機床伺服電機的負載扭矩數(shù)據(jù)，通過對機床PMC程序的二次開發(fā)來實現(xiàn)切斷NC急停信號等功能來進行進一步的保護。

[1] FANUC機電有限公司FANUC伺服參數(shù)說明書[M]．北京：北京FANUC機電有限公司，2006：197-207．

[2] 北京發(fā)那科機電有限公司．FANUC CNC伺服調(diào)整培訓教程[M]．北京：高等教育出版社，2011：102-110．

［編校：楊 琴]

Anti-collision Protection Method of Numerical Control Machine Tool

SONG Fu-Lin

(Changsha Aeronautical Vocational and Technical College, Changsha Hunan410124)

This paper, with FANUC CNC system as an example, analyses anti-collision protection methods of common CNC machine tool, and studies specific debugging steps by FANUC servo system abnormal load detection function to achieve of anti-collision protection function, and further measures of protection. It shows their application in practice is feasible.

numerical control machine;anti-collision protection;servo;abnormal load detection

TH17

A

1671-9654(2017)01-0083-03

10.13829/j.cnki.issn.1671-9654.2017.01.022

2016-12-15

宋福林(1984-)，男，福建莆田人，講師，研究方向為數(shù)控技術(shù)。