數控車床防撞刀系統的設計與實現

黃 娟 周燕飛 易 洋

（南京航空航天大學工程訓練中心，江蘇南京211100）

數控技術是機械加工自動化的基礎，是先進制造技術的核心。數控機床是先進制造技術的典型代表，是數控加工教學的必備設施。對于規模化的工程訓練，訓練周期一般較短，學生只能掌握基本的數控技術知識，完成基本的加工訓練。在訓練過程中，學生操作生疏，撞刀現象時有發生。這不但影響了訓練效率，而且嚴重影響了機床的精度，增加了機床維修頻率和刀具損耗量。

1 數控加工實踐教學中存在的主要問題

數控加工訓練教學的基本目標是，學生經過訓練，能根據零件圖紙進行數控加工工藝分析，編制數控程序并自主完成作業件的加工。數控加工實踐教學包括編程理論課和現場操作課兩部分。學生向系統輸入程序后，現場加工時經常會發生撞刀現象，撞刀往往導致刀具損壞和機床精度降低，嚴重的會導致數控系統控制板損壞、進給傳動系統功能喪失。撞刀問題是困擾數控加工教學的主要問題。

數控機床加工零件的過程包括：操作者根據圖紙編制出零件程序，然后輸入相應的數控系統，接著鎖住機床調試程序，再接著裝夾工件對刀，對刀完畢，啟動程序進行加工（如圖1）。

在整個過程中，經常會發生嚴重撞刀的原因有：

（1）在編制零件程序的環節中程序編制出錯。一般情況下，程序中關于刀具走刀軌跡的描述，可通過系統圖形模擬的功能來進行測試和校正，但是程序中關于調用刀具補償的指令（T指令），系統無法驗證，如果沒有編制刀具指令（如表1）或刀具指令位置錯誤（如表2）就會導致嚴重撞刀。

（2）在調試程序過程中操作出錯。一般數控機床都有機床鎖住功能，機床一旦被鎖住，各運動部件就不會動作。機床鎖住功能用于調試程序，在調試程序時，首先鎖住機床，然后再執行程序，這時機床的坐標是跟隨程序中指令的變化而變化，但實際機床的拖板不移動。這時機床坐標值因為與拖板不同步而使坐標系發生了偏差。如果要恢復機床坐標系，唯一的方法就是在解鎖后必須重新手動回參考點建立機床坐標系。在整個的操作過程中，如果忘記了重新回參考點的操作，解鎖后直接執行下一步的操作，就會因為機床坐標的不統一和不確定性而引起機床的嚴重撞刀。

表1 沒有編制刀具指令

表2 刀具指令位置錯誤

（3）在對刀操作中出錯。編程人員在編制程序時，一般采用假想刀尖進行編程，而實際加工時使用不同刀具的刀尖點進行切削，這時候，操作人員必須對程序中用到的每一把刀具進行對刀，計算出實際刀具與假想的偏差值，并輸入相對應的刀補號中。在這個操作過程中，容易發生錯誤的因素是輸入刀補值的刀補號與程序中調用的刀補號不對應。在這種情況下，也會引起撞刀。

（4）在啟動程序過程中出錯。針對FANUC系統，系統從當前程序光標停留的位置開始執行程序。正常加工前，必須在編輯方式把光標移到程序的開頭。如果忘記了這個操作，就有可能在加工過程中撞刀。

（5）程序中刀具退刀位置與機床附件發生干涉引起的碰撞。在數控車床中，刀具一般安裝在回轉刀盤上。在整個工作區域中，刀盤體積比較大，在運動過程中，容易與車床的尾架、中心架等部件相撞。

2 系統方案的制定和實現過程

針對以上對數控加工中可能發生撞刀因素的剖析，從改進機床電氣設計的角度來制定如下方案來避免發生撞刀的現象。

2.1 在編制零件程序和啟動程序過程中，引起撞刀的解決方案

在編制零件程序和啟動程序過程中，引起撞刀的原因都與刀具指令的執行有關。數控系統正常執行NC程序的順序是從程序中當前光標停留的位置開始從上往下執行，一個程序段執行完畢，執行下一個程序段。如果數控系統在沒有執行刀具指令（即沒有調用刀補）的情況下執行刀具移動指令，數控機床就會撞刀。從機床電氣設計的角度，可以通過改變控制系統執行NC程序的常規過程，來避免這種誤操作造成的撞刀現象。數控機床在自動加工過程中，如果執行了刀具指令，數控系統會產生一個刀具指令完成信號。該信號由數控系統的內置PLC根據CNC檢測到的刀具選通信號、刀具當前位置和刀具目標位置，按照刀架的換刀邏輯，正確換刀完成后獲得。在執行程序時，系統增加檢測是否有換刀指令并完成的環節。如果系統接受到換刀完成指令，系統則正常執行程序；如果系統在沒有接受到換刀完成指令前，執行快速移動或切削進給指令，系統自動輸出相應的報警信息，同時使機床停止加工。流程圖如圖2。

數控機床的邏輯控制順序通過系統內置PLC完成。以FANUC數控系統為例介紹如何編制PLC程序來完成以上流程的順序控制。數控系統換刀指令完成信號R31.0取于原PLC中換刀邏輯程序中的中間繼電器值，刀具移動指令（快移指令或切削指令）的信號取于數控系統CNC-PLC的F地址。報警信息的輸出通過觸發A地址來完成，機床的緊急停止通過觸發系統從PLC-CNC的G地址來完成。PLC程序如圖3。圖中：F1.1復位信號；F0.5為循環啟動信號；F2.1為快速進給信號；F2.6為切削進給信號；F7.3為刀具功能選通信號；X9.7為進給暫停按鈕；G8.5為進給暫停信號；R501.0為在自動方式下執行程序并完成換刀指令；R501.1為在自動方式下，沒有完成換刀指令而執行快移或切削指令；A0.1為報警信號。

2.2 在調試程序和操作過程中，引起撞刀的解決方案

在調試程序和操作的過程中，引起撞刀的原因都與機床鎖住功能有關。通常情況下，數控機床在機床鎖住狀態，機床的各運動部件被鎖住，不能運動，機床可以模擬執行程序。數控機床被解鎖后，機床的各運動部件也即被解鎖，所有功能恢復，系統可以啟動程序。這時，如果機床直接對刀或加工工件，就會引起撞刀。原因是機床鎖住后引起的坐標系變化造成坐標不統一。只有通過手動回參考點的操作才能使坐標系恢復。從機床電氣設計的角度，可以通過改變系統自動方式啟動程序的允許條件來避免這種誤操作造成的撞刀。數控機床的機床鎖住功能是通過機床上的按鈕動作完成的，按鈕在ON位置即機床鎖住，按鈕在OFF位置即機床解鎖。在自動方式啟動程序時，不立即執行程序，增加檢測機床鎖住開關信號的環節，如果機床處于鎖住狀態，程序允許啟動，相當于程序模擬。如果機床處于解鎖狀態，再檢測機床是否被鎖過信號，該信號為機床鎖住開關的自鎖信號，只有通過機床手動回參考點的操作來解鎖。如果機床被鎖過，則不允許啟動程序，同時系統輸出相應報警信息，提示操作者應該重新回參考點。如果機床沒被鎖過，則正常執行程序。流程圖如圖4。

FANUC系統中，機床鎖住通過系統中操作PN按鈕來完成，該信號地址為F75.4。機床被鎖過信號為F75.4的自鎖信號，分別為X軸自鎖信號R500.0和R500.1，該信號通過回參考點完成信號 R500.3和R500.4來解鎖。程序啟動的限制通過限制PLCCNC的信號G7.2來完成。報警信息輸出通過觸發A地址來完成。PLC程序如圖5。圖中：F75.4為機床鎖住按鈕；F4.5為回參考點方式；X9.0為X軸減速開關；X9.1為Z軸減速開關；X9.2為+Z鍵；X8.5為+X鍵；X9.6為循環啟動按鈕；R500.0和R500.1為機床被鎖過信號；R500.3和R500.4為機床解鎖后X軸和Z軸分別重新回到參考點標志；G7.2為循環啟動信號；A0.2為報警信號。

2.3 刀架與機床附件發生干涉，引起碰撞的解決方案

刀架與機床附件發生碰撞的原因主要是操作者不熟悉機床的硬件結構造成的。從機床電氣設計的角度，可以在刀架外側增加無觸點傳感器檢測，然后通過PLC控制來實現碰撞前的機床急停，從而避免撞刀。

首先選擇一個適合在刀架側面安裝的方型無觸點感應開關，并連接至機床電柜中系統的輸入空地址（如圖6），然后通過編制PLC程序來實現碰撞前的機床急停。輸入開關信號接成常閉形式，當機床正常操作時，該信號為“1”；當刀架靠近機床附件時，觸發無觸點開關，信號從“1”變為“0”，這時緊急停止機床，并報警提示操作人員。因為采用的是感應開關，所以在發生碰撞前就停止了機床，從而避免了碰撞引起的沖擊。PLC程序如圖7。

X13.7為刀盤防碰撞開關信號；X9.7為進給保持按鈕；A0.2為報警信號；G8.5為系統進給暫停信號。

3 結語

針對數控教學中經常發生的撞刀現象，使用以上方法改進了數控機床的設計，打破了系統執行程序的常規過程后，避免了撞刀現象的發生，同時以報警信號的形式，提示了操作人員操作或編程的錯誤原因，方便了操作人員診斷。特別是在教學過程中，使用以上方法后，解決了學生在不熟練的情況下練習操作的過程中易發生的撞刀現象，同時為學校節省了刀具耗材的使用量和機床的維修費用開支。

［1］董麗華.數控加工編程與操作實用技術［M］.北京：電子工業出版社，2006.

［2］宋松.FANUC 0I系列數控系統維修診斷與實踐［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，2008.

［3］高欽和.可編程控制器應用技術與設計實例［M］.北京：人民郵電出版社，2004.