WMEM | 基于SIEMENS 840dsl系统大型机床防碰撞解决方案

【摘要】在数控机床操作中，经常会遇到碰撞问题，特别是大型双龙门架机床，共用一个X轴导轨，当两个龙门架相对运动时，很容易由于操作不当发生碰撞，这不仅会影响机床的使用寿命，还会威胁操作人员的安全。为避免出现类似问题，应采取合理、科学的防碰撞措施。本文通过对大型数控机床操作的实践，并从其结构特点出发，总结了操作过程中发生碰撞的原因，提出四种解决办法，理论联系实际，供业界参考。

大型双龙门架数控机床，具有两个龙门框架，一个龙门架的横梁固定，一个龙门架的横梁可以升降，工作台固定，两个龙门架安装在同一个X轴床身上，可进行往复运动。定梁龙门架是X1，动梁龙门架是X2，当X1和X2进行相对运动时，必须设置防碰撞保护装置，防止相撞。

本项目根据实际情况，采用了硬件和软件相结合的方式进行双重保护，同时利用西门子系统的碰撞监控功能，进行机床和工件的防碰撞监控，提高了机床使用的安全性，解决了机床在运行中的安全问题。机床结构如图1所示，下面将逐一介绍项目中用到的四种方法。

图1 大型双龙门架数控机床

1. 硬件限位开关，配合第二软限位功能

机床双龙门框架具有防碰撞保护装置，在两个龙门架接近时，通过在滑座端头固定支架上安装的全自动控制电气开关，在双龙门主轴中心接近一定距离时，达到最小距离后自动发出报警信号并反馈给各自的数控系统，从而控制各自龙门动作及时停止。

图2 接近开关控制结构

如图2所示，开关支架1固定于定梁龙门架一侧的滑座上，撞块1和触发开关1固定在开关支架1上。同样，另一个开关支架2、撞块2、触发开关2固定于动梁龙门架一侧的滑座。当两个龙门架接近到最小距离时，固定于各自龙门上的撞块触发对方的电气开关，两个龙门框架同时停止运动，并且激活数控系统的“第二软限位功能”，保证机床不会沿着原路径方向继续运动。为防止其中一个电气开关失灵，项目中采用冗余设计，即在两龙门另一侧对应位置上安装上述同样的装置，一对滑座两侧的固定电气开关同时生效，无论哪组触发开关，都能实现两个龙门的停止运动，以达到双重保护最安全的防碰撞目的。

此方法的优点是，硬件机构和软件双重防护，安全系数高；缺点是，硬件成本增加，安装复杂，并且开关被压上后，机床会立即停止，对于机床造成较大冲击，客户体验较差。

2. 读两个龙门架的X轴坐标，判断是否进入干涉区

利用STEP7编程软件，新建一个功能块FC100，利用FB2读取实时X1和X2的坐标值（回零完成状态），已知X轴导轨行程全长L和两个龙门架之间最短安全距离D_S，建立干涉区距离X_s公式如下：

X_s=L-(X1+X2)

机床实时读取X1和X2坐标值，并进行计算，如果X_s≤D_S，那么表示龙门架已经到达安全距离，需要立即停止运动，机床发出报警，并且读入禁止，进给禁止，以保护机床。需要注意的是，定梁龙门架需要把X1坐标值通过网络传输送到动梁龙门架的系统内进行运算，同理，动梁龙门架的X2坐标值也要送到定梁龙门架内进行运算，需要处理好数据传递的准确性和实时性。

此方法的优点是，不需要任何硬件设备，应用简便；缺点是，需要先决条件，如果X1和X2轴有任意一个没有回零，则计算结果将存在问题，导致功能失效，机床将失去防护功能。

3. 硬件限位开关，配合异步子程序增加碰撞减速效果

此方法跟方法1类似，但是方法1中，机床会产生真实碰撞，冲击较大，如果可以在发生碰撞的时候，进行减速运动，到达安全距离后再停止，可以有效减少冲击带来的损伤。具体做法如下：

当行程开关被压上后，激活系统的异步子程序，在程序中将X轴运行速度限定在低速，并在规定时间让其停止，这样可以有效减缓上述三种办法带给机床的冲击。

异步子程序如下：

PLC编程调用异步子程序，在OB1中调用FB4，目的是把“Xstop.SPF”子程序和中断号1连接起来，如果出现中断号1，系统会跳出当前的循环指令，并自动执行“Xstop.SPF”，等待子程序执行完成后，再继续执行原程序。实际情况是，当行程开关I35.0被压上后，触发中断响应，调用Xstop.SPF，对X轴进行限速，同时限制X轴余程为100，在这个余程内，X轴以500mm/min的速度运行，并停止，起到安全停的作用。具体做法如下：

此方法的优点是，发生碰撞时有减速效果，机床平稳停止，不会造成较大冲击，安全防护效果好；缺点是，硬件成本增加，安装复杂，并且设计编程复杂，需要较高的设计水平进行功能测试。

4. 碰撞监控功能介绍

“Collision avoidance” 碰撞监控功能（6FC5800-0AS02-0YB0）可实时计算两个保护区域（机床部件或者刀具）的间距，机床可以在线实时监控刀具轨迹，防止发生碰撞。

此功能可用于多种机床类型。卧式加工中心，如 Y 轴上下与旋转工作台（B轴）；车削中心，如刀架与主轴、B 轴与主轴；五轴加工中心，如旋转轴与主轴头（摆台型）；龙门镗铣床，如附件头与工件。

可在数控系统中设置碰撞检测参数，实时计算两个保护区域（机床部件或者刀具）的间距，防止发生碰撞。碰撞识别和预防功能不论在自动还是点动运行方式下均可使用。碰撞识别和预防功能是用预读功能得出的运动数据。

该功能对刀具运动轨迹的预判如图3所示，预判时间可自由设置，保证碰撞被及时检查。

图3 刀具刀柄碰撞预判功能

应用此功能，需要建立精确的机床模型，以及刀具和工件的模型。精确的模型可以准确预计膨胀位置，并输出报警26280，使机床停止运动，保护机床和工件。

目前，此功能为西门子系统选项功能，客户可以根据需要进行选购，对于航空航天领域的机械加工企业，机床设备和工件的材质较为昂贵，非常有必要选购此功能进行碰撞监控。

5. 结论

以上方法，既可用于大型双龙门架机床，也可用于普通数控机床的防碰撞控制，简单实用，安全可靠，可作为机床安全保护方法供参考借鉴。

作者：王红亮 严昊明 王天宇（沈阳机床设计研究院）  

来源：《世界制造技术与装备市场（WMEM）》杂志2022年第2期

责编：梅峰

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