宋福林

（長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124）

淺談數(shù)控機(jī)床防碰撞保護(hù)方法

宋福林

（長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124）

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

數(shù)控機(jī)床；防碰撞保護(hù)；伺服；異常負(fù)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(fù)雜、加工精度要求高，高端數(shù)控機(jī)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(jī)床的價格不菲，而且其維修備件的成本高，尤其是機(jī)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(jī)床維護(hù)的的維修維護(hù)成本，尤其是降低機(jī)床操作者的失誤造成的碰撞，而引發(fā)的非常規(guī)維護(hù)成本，成為數(shù)控機(jī)床維修維護(hù)人員的一項新興的課題。

目前數(shù)控機(jī)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(fù)確認(rèn)是否正確，以保證加工安全。2)機(jī)床行程限位保護(hù)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(jī)床行程限位保護(hù)參數(shù)來限制機(jī)床的行程，以降低機(jī)床碰撞的概率。以上兩種方法對機(jī)床操作者要求除了掌握數(shù)控機(jī)床的操作方法，還需要熟悉零件的工藝、編程以及數(shù)控機(jī)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(jī)床碰撞造成的損失，只能是降低機(jī)床碰撞的幾率，不能從根本上解決問題。

本文結(jié)合上述預(yù)防措施的優(yōu)缺點采用FANUC數(shù)控系統(tǒng)的伺服異常負(fù)載檢測功能來實現(xiàn)對機(jī)床保護(hù)，該方案不但在零件的編程和數(shù)控機(jī)床的操作錯誤時能對機(jī)床進(jìn)行保護(hù)，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(fù)載起到保護(hù)作用，有效地避免了機(jī)床加工過程中不可預(yù)料碰撞的發(fā)生，降低了機(jī)床維修成本。

圖1 FANUC伺服系統(tǒng)外力干擾負(fù)載工作原理

1 數(shù)控機(jī)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(jī)上的外力干擾負(fù)載扭矩進(jìn)行實時地觀測和計算，在機(jī)床發(fā)生碰撞的時候，伺服電機(jī)承受的外力扭矩突然增大，伺服系統(tǒng)將此時電機(jī)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(jī)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(yùn)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(jī)發(fā)出指令，使伺服電機(jī)向相反的方向運(yùn)動， 機(jī)械系統(tǒng)與工件碰撞面脫離，從而對機(jī)床起到保護(hù)作用。

2 數(shù)控機(jī)床防碰撞功能的實現(xiàn)

FANUC系統(tǒng)在設(shè)計是提供了機(jī)床的異常負(fù)載檢測功能，但是不同的機(jī)床的負(fù)載情況都不一樣，這就需要數(shù)控機(jī)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(hù)機(jī)床。FANUC系統(tǒng)異常負(fù)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(fù)載與異常負(fù)載的，再通過FANUC系統(tǒng)的異常負(fù)載報警功能參數(shù)來實現(xiàn)報警和保護(hù)機(jī)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(jī)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(jī)的觀測器POA1參數(shù)。如圖2所示在數(shù)控機(jī)床正常切削加工時，通過FANUC系統(tǒng)自帶伺服電機(jī)波形診斷功能來觀測電機(jī)和外力干擾的推測值，根據(jù)不同的機(jī)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(jī)波形診斷

3）異常負(fù)載檢測報警水平的設(shè)定。觀測在進(jìn)行各類操作，如切削加工時、快速移動時、進(jìn)給軸加減速等狀態(tài)時正常負(fù)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(jī)負(fù)載最大值|/放大器最大電流值×7282＋500～1000左右

4）設(shè)定異常負(fù)載檢測時的返回量。在機(jī)床發(fā)生碰撞時，為了保護(hù)機(jī)床的機(jī)械進(jìn)給部件不受損傷，使機(jī)械進(jìn)給部件回退一定距離，起到保護(hù)作用。我們需要對“異常負(fù)載檢測時的返回量”2013號參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，此值設(shè)定根據(jù)加工時具體情況而定，標(biāo)準(zhǔn)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(jī)停止運(yùn)行。

3結(jié)論

使用異常負(fù)載監(jiān)測功能實現(xiàn)防碰撞保護(hù)，通過在我單位數(shù)控機(jī)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(jī)床機(jī)械部件和數(shù)控系統(tǒng)的損傷，大大降低了機(jī)床維修費(fèi)用，提高了經(jīng)濟(jì)效益。若更進(jìn)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(jī)床伺服電機(jī)的負(fù)載扭矩數(shù)據(jù)，通過對機(jī)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(jìn)行進(jìn)一步的保護(hù)。

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

[2] 北京發(fā)那科機(jī)電有限公司．FANUC CNC伺服調(diào)整培訓(xùn)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)。