集成防碰撞保護的控制系統(tǒng)

    刀具和夾具系統(tǒng)或主軸與機床工作臺在機床運行過程中發(fā)生碰撞，會對機床造成慘重的損失和停產(chǎn)。在加工過程中，機床與工件之間在規(guī)定參數(shù)范圍內(nèi)永遠不應(yīng)該發(fā)生任何碰撞性的接觸。那么，那些大型的控制系統(tǒng)和機床生產(chǎn)廠商為防止發(fā)生意外的碰撞應(yīng)該采取什么樣的措施呢？

現(xiàn)代機床切削速度越來越快，切削路徑也越來越復雜，實際工作中要想使機床操作人員預(yù)測機床發(fā)生碰撞的可能性，并在緊急狀態(tài)下及時關(guān)閉開關(guān)和切斷電源幾乎是不可能的。同時，操作人員的安全也需要由控制系統(tǒng)來保證。為此，大部分機床制造商開發(fā)了機床碰撞保護系統(tǒng)，并將這種保護應(yīng)用到“在線”的CNC控制系統(tǒng)上，或通過外界“脫機”的PC機來實現(xiàn)。一般來說，一些在線的保護可以立即使用，并將其內(nèi)置到大部分的高端和高規(guī)格CNC控制系統(tǒng)之中。盡管在某種程度上，制造商或多或少地會采用同樣的思維方式來解決這些問題，但各種方法之間還是存在著本質(zhì)上的區(qū)別。

    防碰撞控制系統(tǒng)的準確安裝位置應(yīng)該在什么地方？在使用PC機前，用什么方法來模擬機床及其各軸的運動？還是采用實時控制？雖然這兩種方法不一定能提供 100%的保證，但各有各的優(yōu)缺點。對于實時控制的系統(tǒng)而言，CNC的核心必須配置性能優(yōu)良的計算功能，按照一般規(guī)律，這意味著需要消耗較高的內(nèi)存。實時控制本身就具有很強的通用性，它能夠立即適應(yīng)情況的變化。你不可能經(jīng)常在計算機上精確地模擬機床的現(xiàn)實模型，或預(yù)測所有運動和事件。如果發(fā)生了意想不到的事情，那么必須首先在計算機上修改這一模型，以恢復其碰撞保護功能。

    另一方面，CNC系統(tǒng)的實時控制就好像是與機床的一個模型一起工作，然后開始模擬運動。其有效性特別體現(xiàn)在防碰撞控制系統(tǒng)能立即啟動，使加工停止，這是因為其已經(jīng)預(yù)測到碰撞的可能性，換句話說已經(jīng)模擬到發(fā)生碰撞的可能性。因此，實時保護具有與CNC系統(tǒng)中模型數(shù)據(jù)一樣好的功能。這對于在PC機上的模擬來說也同樣有效，至少PC機可以接入精度極高的CAM數(shù)據(jù)和計算機所具有的強大功能。

    Fanuc GE公司的30i系列和31i系列控制系統(tǒng)提供“3D干擾檢查”功能。它采用潛在碰撞物體的幾何數(shù)據(jù)進行工作，操作員將碰撞物體的有關(guān)參數(shù)直接輸入到 CNC系統(tǒng)內(nèi)，并由工廠內(nèi)部開發(fā)的軟件支持其工作，將一些有風險的區(qū)域，例如像機床的工作臺或夾具系統(tǒng)，采用幾何數(shù)字確定。CAD的數(shù)據(jù)也可讀入到系統(tǒng)之中。按照Fanuc公司的說法，幾何圖形元素能夠在模型中以1μm的精度，精確地模擬實際外形輪廓。Fanuc GE CNC德國公司的執(zhí)行總裁Leopold Schenk先生解釋說：“CNC系統(tǒng)能夠?qū)⒖臻g信息和當前機床數(shù)據(jù)考慮在內(nèi)，用以計算軸的運動。這也就是說，主CPU能夠在4ms時間內(nèi)計算出所有在碰撞模型中發(fā)現(xiàn)的物體，這一時間幾乎與軸的插補時間相等。如果存在碰撞的風險，機床就會在一個特殊范圍內(nèi)的零件前停止進行最后的插補程序。”如碰撞模型太復雜而不能在4ms內(nèi)完成計算的話，F(xiàn)anuc GE公司就會采用一種升級戰(zhàn)略：將時間加倍增加到8ms，并設(shè)置一個更寬松的包絡(luò)曲線給予補償。Schenk先生向公司做出了這樣的一個承諾：“如果配置正確，那么‘3D干擾檢查’系統(tǒng)就能幫助機床避免碰撞，其可靠性幾乎達到了100%。”Schenk先生不喜歡采用PC機的脫機解決方案，他認為這種方法所能提供的可靠性十分有限：“脫機分析完全是根據(jù)日常的經(jīng)驗來確定大多數(shù)發(fā)生碰撞的情況，然后進行操作設(shè)定，但實際上很多行為無法通過虛擬環(huán)境預(yù)測。像 ‘3D干擾檢查’這樣的集成系統(tǒng)能夠堵補所有這些影響可靠性的漏洞。它們采用實時監(jiān)控，并可按機床的現(xiàn)狀連續(xù)調(diào)節(jié)。”

    Siemens 公司最近正在研究一種在線防碰撞保護系統(tǒng)，準備連接并應(yīng)用到Sinumerik CNC控制系統(tǒng)。Siemens公司機床部經(jīng)理Uwe Haeberer先生這樣說：“其基本功能已經(jīng)在NC核心系統(tǒng)中得到實現(xiàn)，并已成功地完成了初步試驗。這種新理念已經(jīng)獲得了進一步的發(fā)展，而且也開始在操作員的接口界面上轉(zhuǎn)換。”它應(yīng)該通過無縫連接的方式，用PC機與現(xiàn)有的Siemens脫機解決方案連接。Haeberer先生承認：“然而，只有在加工時，當碰撞控制系統(tǒng)在CNC系統(tǒng)上發(fā)生作用的時候，才能顯示其真正的功能。因此，像夾具裝置的變化等因素應(yīng)特別考慮在內(nèi)。然而，正如我們所看到的那樣，還沒有一種解決方案適合全面的開發(fā)目標，在我們的競爭對手中，也沒有一家公司能夠提供真正令人滿意的解決方案。”因此，主要的問題是為機床操作員解決更加友好的操作界面問題。然而，Siemens公司已經(jīng)做了第一次嘗試，引進刀具數(shù)據(jù)，在這方面目前還沒有國際標準。按照該公司的說法，現(xiàn)在還不清楚操作人員如何將夾具系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入到防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)之中。Haeberer先生補充說：“我們還不打算銷售防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)，直到我們完全弄清楚各部分的功能。如果所需要的數(shù)據(jù)還不完全，或者不符合質(zhì)量要求，那么就不可能制造出一個可靠的防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)。”

    Heidenhain公司在其i-TCN 530控制系統(tǒng)中安裝了一個動態(tài)防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)（DCM）。這一系統(tǒng)甚至可以在CNC系統(tǒng)上根據(jù)設(shè)置操作運行，而且也考慮到了夾具裝置的位置。機床操作員可以從屏幕上看到所有處于工作區(qū)域的機床元件。凡是有碰撞風險的區(qū)域可以通過控制系統(tǒng)顯示確認，讓操作員可以在屏幕上將各個相應(yīng)的元件從碰撞區(qū)移走。屏幕可獨立地接入Heidenhain系統(tǒng)，因此工作區(qū)可以在一個窗口顯示，而CNC程序可以在另一個窗口顯示。如果出現(xiàn)碰撞的風險，控制系統(tǒng)就會自動停機。

    Mazak 公司的Matrix控制系統(tǒng)上有兩個CPU同時工作，在一個工件加工的同時，CPU就開始模擬另一個工件的加工情況。零件是在加工前就開始檢查的，因此 Mazak公司的機床應(yīng)用部經(jīng)理助理Stephan Fabry先生說：“這可以使操作員順利地運行程序，而不會發(fā)生碰撞現(xiàn)象。”卡盤、刀柄和附件所需的空間都已經(jīng)在控制系統(tǒng)的工作區(qū)標明，操作員只需要加入機床的形狀就可以了。有了這些信息以后，再對加工的工件進行模擬加工試驗，看其是否存在潛在的碰撞因素。

IPC上的CNC軟件也采用圖形元素

    Beckhoff 公司的控制系統(tǒng)主要由工業(yè)PC機和軟件組成，而對于CNC部分來說，Beckhoff公司則提供Twin-Cat的CNC程序。與Fanuc系統(tǒng)相似，這一集成控制系統(tǒng)處理風險區(qū)域，其中包括刀具、夾具以及機床的其他元件。Beckhoff公司的產(chǎn)品部經(jīng)理Matthias Koester先生解釋說：“圖形零件的最小距離可以通過任何CAD程序確定，而且是可以編程的。在內(nèi)部，控制系統(tǒng)采用CAD的VRML Export來描述零件。在即將發(fā)生碰撞以及出現(xiàn)錯誤描述的時候，也會創(chuàng)建一個圖像錯誤信息，使操作員能夠及時發(fā)現(xiàn)問題。”

    Bosch Rexroth公司在其MTX控制系統(tǒng)中提供在線碰撞控制功能。Andreas Jenke先生是Bosch Rexroth公司電氣驅(qū)動控制業(yè)務(wù)部負責機床工業(yè)管理的經(jīng)理，他支持CNC系統(tǒng)采用雙重控制的模擬方法和內(nèi)置保護系統(tǒng)，他說：“防碰撞控制是通過CNC 控制系統(tǒng)實現(xiàn)的，因為只有那里才儲存那些與實際機床操作相同的相關(guān)數(shù)據(jù)。為了模擬的需要，我們在PC機上創(chuàng)建了一個虛擬CNC系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠像真正的機床那樣，采用同樣的數(shù)據(jù)或參數(shù)進行工作。”

    當CNC數(shù)控系統(tǒng)盡可能精確地上載大量的數(shù)據(jù)，并且當程序能夠容易操作的時候，CNC的防碰撞保護系統(tǒng)才能發(fā)揮其最大的功能。現(xiàn)在，復雜的、快速的、高端的機床上都配有頂級質(zhì)量的控制系統(tǒng)，而現(xiàn)在的大部分控制系統(tǒng)都集成了防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)。