多軸同方向移動防碰撞控制技術(shù)研究

朱艷瓊 陳懷良 鄒 濤 唐丙松 劉 莉

(①沈機集團昆明機床股份有限公司，云南昆明650203②昆明電纜集團股份有限公司，云南昆明650503)

在多軸同方向移動的機床運動中，容易產(chǎn)生干涉 碰撞現(xiàn)象，輕則碰壞工件，損壞刀具;重則使機床局部受損、精度降低、機床報廢，甚至危及操作者的生命安全，其后果非常嚴重［1］。本文以某型數(shù)控龍門鏜銑床為研究對象，針對多軸同方向移動防碰撞控制技術(shù)研究，運用西門子系統(tǒng)的異步子程序功能進行設(shè)計，實現(xiàn)機床防止碰撞的功能。

定立柱動橫梁式數(shù)控龍門鏜銑床總體布局為工作臺沿床身作縱向移動(X軸)、橫梁沿左右兩立柱上下移動(W軸)，在橫梁上裝有滑枕式鏜銑頭(主軸)，滑枕式鏜銑頭的滑座沿橫梁作橫向移動(Y軸)，滑枕沿滑枕座作垂直向移動(Z軸)。如圖1所示，為了實現(xiàn)更加復(fù)雜、深度更大的加工，本文中的某型龍門鏜銑床特別設(shè)計了滑枕帶鏜軸結(jié)構(gòu)，鏜軸可沿滑枕作垂直移動(Z1軸)，使得垂直方向進給包括W軸(2 500 mm)、Z軸(1 250 mm)以及Z1軸(1 000 mm)，疊加總行程達到了4 750 mm。

當(dāng)機床各個進給軸在安全位置，由于機床滑枕端面安裝了附件頭，附件頭長度會影響機床安全行程。如果操作不慎，容易與正下方的工作臺發(fā)生碰撞。為避免此類情況發(fā)生，需設(shè)計防碰撞子程序，實時監(jiān)控垂直向各進給軸的疊加行程，在到達危險區(qū)域時，停止機床進給，防止損傷機床、刀具和工件。

1 總體設(shè)計方案

1.1 原理

通過設(shè)置異步子程序所需的參數(shù)用于激活西門子840D系統(tǒng)的異步子程序功能，包括調(diào)整優(yōu)先級、執(zhí)行方式、響應(yīng)方式等。在NC子程序中判斷垂直向各進給軸疊加行程長度，包括附件頭及刀具長度，在達到危險區(qū)域時，把進給軸的進給倍率變成0，讓進給軸停下。通過基于西門子程序中斷功能塊的異步執(zhí)行技術(shù)的PLC程序，利用程序中斷功能塊FB4，執(zhí)行功能塊FC9實現(xiàn)NC子程序的選擇與執(zhí)行。

1.2 具體解決方案

當(dāng)系統(tǒng)正常上電后，程序執(zhí)行過程中，PLC選擇并執(zhí)行NC子程序，NC子程序?qū)崟r比較疊加行程與危險行程的關(guān)系，利用運動同步指令使進給軸自動停下［2］。具體解決方案如圖2所示:

當(dāng)進給軸停止之后，通過機床面板上設(shè)置的按鍵，解除進給率修調(diào)的指令，手動將進給軸回退到安全的位置，實現(xiàn)保護機床部件的目的。

2 具體實施方法

系統(tǒng)回參考點之后激活并運行防碰撞子程序，子程序中判斷是否有附件頭及其型號，根據(jù)不同型號選擇不同的安全行程;如果未裝載附件頭而是刀具，則讀取刀具長度并在安全行程中減去該值，以適應(yīng)安裝不同附件頭及刀具的工況。該機床利用異步子程序來實現(xiàn)該功能。

2.1 機床參數(shù)配置

MD11600 BAG_MASK，位0=0加工程序被異步子程序中斷后，可切換操作方式

MD11602ASUP_START_MASK=3，ASUP 運行時可點動

MD11604 ASUP_START_PRIO_LEVEL=7，ASUP優(yōu)先級

2.2 編寫子程序

控制軸的運動需要用到運動同步指令，運動同步指令是指NC在作程序插補的同時，可以另外執(zhí)行其他一些動作，這些動作的有效范圍可以不受指令執(zhí)行范圍限制。按有效范圍不同，同步指令分模態(tài)同步指令和非模態(tài)同步指令，非模態(tài)同步指令只在緊跟該指令后面的一條指令內(nèi)有效，而模態(tài)同步指令執(zhí)行后，只要沒有取消該同步動作，在程序運行狀態(tài)下一直有效［3］。

指令格式:

(ID=n KEYWORD condition)DO ACTION

括號內(nèi)部分為可選項，如果有ID號，則為模態(tài)指令。沒有ID則為非模態(tài)指令，對于需要不受工作方式限制的模態(tài)指令用IDS標識。ID號的范圍為1～255。在執(zhí)行時系統(tǒng)先按ID號從小到大執(zhí)行模態(tài)指令，然后再執(zhí)行非模態(tài)指令。

KEYWORD condition是為后面要執(zhí)行的動作指令執(zhí)行條件，如果沒有指令條件，則該指令無條件執(zhí)行。常用的條件有以下幾種:

WHEN每一個插補周期系統(tǒng)檢測要執(zhí)行的條件，如果條件滿足，則執(zhí)行一次后面指令的動作，后面即使條件還滿足，指令也不再執(zhí)行。

WHENEVER系統(tǒng)每一個插補周期都檢測指令的執(zhí)行條件是否滿足，只要條件滿足就執(zhí)行，后面的指令動作，不受次數(shù)限制。

EVERY當(dāng)指令條件從不滿足變成滿足時，指令動作就執(zhí)行一次。

FROM當(dāng)指令執(zhí)行的條件一滿足，指令動作就執(zhí)行，執(zhí)行開始后，即使條件不再滿足了，指令動作也照樣執(zhí)行。

對于指令要執(zhí)行的條件，可以是各種系統(tǒng)變量間的邏輯運算，也可以是某個輸入點的狀態(tài)，比如:

WHENEVER$AA_IM［X］＞5*SIN(30)DO ACTION

只要X軸的坐標值大于5和SIN(30)的乘積，系統(tǒng)就執(zhí)行DO后面的指令動作。

對于指令后面的動作ACTION，常用的有:

STOPREOF停止譯碼功能取消

DELDTG刪除余程

RDISABLE讀入使能取消

POS［axis］= ， FA［axis］=定位軸定位功能

$AA_OVR=， $AC_OVR=改變軸或者是路徑進給倍率

根據(jù)解決方案，需要在NC程序中計算疊加行程長度并作出判斷是否到達危險區(qū)域，還要考慮到是否安裝了附件頭和刀具。

名字:POSLIMIT.SPF，并放入子程序文件夾中。

內(nèi)容:

其中，$A_IN［10］～［13］判斷附件頭的存在，UGUD［0］存儲危險行程值，通常設(shè)定成1 000 mm，UGUD［1］～［3］存儲 3個附件頭的長度，$P_TOOLL讀取當(dāng)前刀具長度。

2.3 編寫PLC程序

(1)修改OB100中FB1參數(shù)IN42(NCKomm)=TRUE。默認為FALSE。

(2)新建一個DB數(shù)據(jù)塊DB136，用來存儲子程序名和存放路徑，見圖3。

變量STAT0存儲子程序路徑SPF.DIR。

變量STAT1存儲子程序名字POSLIMIT.SPF。

(3)創(chuàng)建一個功能調(diào)用FC100，用來調(diào)用功能塊FB4和FC9。FB4是將NC子程序POSLIMIT.SPF與中斷號建立對應(yīng)關(guān)系;而FC9是在檢測到PLC狀態(tài)后，觸發(fā)中斷，從而激活異步子程序。

調(diào)用FB4:

CALL FB 4，DB126

Req :=m50.0觸發(fā)FB4的條件是NC啟動和已回參考點

PIService:=”PI”.ASUP 固定格式

Unit :=1通道1

Addr1 :=DB136.STAT0指定NC程序所在路徑

Addr2 :=DB136.STAT1指定NC程序名

Addr3 :=

Addr4 :=

WVar1 :=W#16#1中斷號

WVar2 :=W#16#1中斷優(yōu)先級

WVar3 :=

WVar4 :=

WVar5 :=

WVar6 :=

WVar7 :=

WVar8 :=

WVar9 :=

WVar10:=

Error :=M50.1出錯標志

Done :=M50.2完成標志

State:=M51狀態(tài)字

調(diào)用FC9:

CALL FC 9

Start:=M60.0觸發(fā)中斷的條件

ChanNo:=1通道號

IntNo :=1中斷號

Activ:=M60.1正在執(zhí)行FC9標志

Done:=M60.2完成標志

Error:=M60.3出錯標志

StartErr:=M60.4出錯標志

Ref:=MW61參考字(內(nèi)部用)

(4)在OB1中調(diào)用FC100，并且通過按鍵來控制中斷執(zhí)行標志位:

CALL FC 100

AN I 6.3解除按鍵

= M60.0中斷執(zhí)行標志號

2.4 執(zhí)行過程

當(dāng)系統(tǒng)上電，NC啟動正常并回到參考點，子程序POSLIMIT.SPF被選擇并執(zhí)行。加工程序自動運行，當(dāng)垂直向各軸到達危險區(qū)域時，將進給修調(diào)設(shè)置為0，使進給軸停下。按住機床面板上的“解除鍵”，系統(tǒng)則不再調(diào)用子程序，此時可通過手動方式將軸退回到安全位置。

3 擴展技術(shù)

多軸同方向移動防碰撞控制技術(shù)，可以運用到同一床身多個龍門框架的機床上，例如第一個龍門的X1向與第二個龍門X2向安全保護，以及各自龍門Z1向、Z2向與工作臺或工件之間的安全保護。還可以運用到數(shù)控對置落地銑鏜床、刨臺式銑鏜床、多個機械手臂、特殊功能附件上等。在技術(shù)發(fā)展的同時，可以使用數(shù)控系統(tǒng)自帶的安全保護功能進行安全保護，也可以通過模型及處理方法運用到非伺服控制的移動軸或運動軸上，還可以通過加裝檢測元件，如RFID非接觸式自動識別開關(guān)、測頭等，形成空間多維防碰撞安全保護技術(shù)。

4 結(jié)語

通過對多軸同方向移動防碰撞控制關(guān)鍵技術(shù)研究，開發(fā)的運動同步控制子程序適用于大型龍門鏜銑床系列產(chǎn)品，實現(xiàn)了大型機床的附件頭、刀具長度及垂直方向行程疊加計算和進給軸的實時控制，為大型數(shù)控龍門銑鏜床實現(xiàn)安全控制奠定了良好的基礎(chǔ)。該防碰撞控制技術(shù)已經(jīng)在多臺大、重型龍門鏜銑床上獲得成功應(yīng)用，提升了機床的技術(shù)附加值、操作安全性和生產(chǎn)效率，優(yōu)越性突出。