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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X1X2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。

 


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。

 


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X1X2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DS,建立干涉区距离Xs公式如下:

 

Xs=L-(X1+X2)

 

机床实时读取X1X2坐标值,并进行计算,如果XsDS,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X1X2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。

 

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


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