行業資訊

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      2022.06.27

      基于SIEMENS 840dsl系統大型機床防碰撞解決方案

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      大型雙龍門架數控機床,具有兩個龍門框架,一個龍門架的橫梁固定,一個龍門架的橫梁可以升降,工作臺固定,兩個龍門架安裝在同一個X軸床身上,可進行往復運動。定梁龍門架是X1,動梁龍門架是X2,當X1X2進行相對運動時,必須設置防碰撞保護裝置,防止相撞。

       

      本項目根據實際情況,采用了硬件和軟件相結合的方式進行雙重保護,同時利用西門子系統的碰撞監控功能,進行機床和工件的防碰撞監控,提高了機床使用的安全性,解決了機床在運行中的安全問題。機床結構如圖1所示,下面將逐一介紹項目中用到的四種方法。

      20220615102509337.png

      1  大型雙龍門架數控機床

      1. 硬件限位開關,配合第二軟限位功能

          

      機床雙龍門框架具有防碰撞保護裝置,在兩個龍門架接近時,通過在滑座端頭固定支架上安裝的全自動控制電氣開關,在雙龍門主軸中心接近一定距離時,達到最小距離后自動發出報警信號并反饋給各自的數控系統,從而控制各自龍門動作及時停止。

      20220615102438164.png

      2  接近開關控制結構

      如圖2所示,開關支架1固定于定梁龍門架一側的滑座上,撞塊1和觸發開關1固定在開關支架1上。同樣,另一個開關支架2、撞塊2、觸發開關2固定于動梁龍門架一側的滑座。當兩個龍門架接近到最小距離時,固定于各自龍門上的撞塊觸發對方的電氣開關,兩個龍門框架同時停止運動,并且激活數控系統的“第二軟限位功能”,保證機床不會沿著原路徑方向繼續運動。為防止其中一個電氣開關失靈,項目中采用冗余設計,即在兩龍門另一側對應位置上安裝上述同樣的裝置,一對滑座兩側的固定電氣開關同時生效,無論哪組觸發開關,都能實現兩個龍門的停止運動,以達到雙重保護最安全的防碰撞目的。

       

      此方法的優點是,硬件機構和軟件雙重防護,安全系數高;缺點是,硬件成本增加,安裝復雜,并且開關被壓上后,機床會立即停止,對于機床造成較大沖擊,客戶體驗較差。

      2. 讀兩個龍門架的X軸坐標,判斷是否進入干涉區

          

      利用STEP7編程軟件,新建一個功能塊FC100,利用FB2讀取實時X1X2的坐標值(回零完成狀態),已知X軸導軌行程全長L和兩個龍門架之間最短安全距離DS,建立干涉區距離Xs公式如下:

       

      Xs=L-(X1+X2)

       

      機床實時讀取X1X2坐標值,并進行計算,如果XsDS,那么表示龍門架已經到達安全距離,需要立即停止運動,機床發出報警,并且讀入禁止,進給禁止,以保護機床。需要注意的是,定梁龍門架需要把X1坐標值通過網絡傳輸送到動梁龍門架的系統內進行運算,同理,動梁龍門架的X2坐標值也要送到定梁龍門架內進行運算,需要處理好數據傳遞的準確性和實時性。

       

      此方法的優點是,不需要任何硬件設備,應用簡便;缺點是,需要先決條件,如果X1X2軸有任意一個沒有回零,則計算結果將存在問題,導致功能失效,機床將失去防護功能。

       

      3. 硬件限位開關,配合異步子程序增加碰撞減速效果

          

      此方法跟方法1類似,但是方法1中,機床會產生真實碰撞,沖擊較大,如果可以在發生碰撞的時候,進行減速運動,到達安全距離后再停止,可以有效減少沖擊帶來的損傷。具體做法如下:

       

      當行程開關被壓上后,激活系統的異步子程序,在程序中將X軸運行速度限定在低速,并在規定時間讓其停止,這樣可以有效減緩上述三種辦法帶給機床的沖擊。

       

      異步子程序如下:

      20220615102415869.png


      PLC編程調用異步子程序,在OB1中調用FB4,目的是把“Xstop.SPF”子程序和中斷號1連接起來,如果出現中斷號1,系統會跳出當前的循環指令,并自動執行“Xstop.SPF”,等待子程序執行完成后,再繼續執行原程序。實際情況是,當行程開關I35.0被壓上后,觸發中斷響應,調用Xstop.SPF,對X軸進行限速,同時限制X軸余程為100,在這個余程內,X軸以500mm/min的速度運行,并停止,起到安全停的作用。具體做法如下:

      20220615102405134.png

      此方法的優點是,發生碰撞時有減速效果,機床平穩停止,不會造成較大沖擊,安全防護效果好;缺點是,硬件成本增加,安裝復雜,并且設計編程復雜,需要較高的設計水平進行功能測試。

       

      4. 碰撞監控功能介紹

       

      Collision avoidance 碰撞監控功能(6FC5800-0AS02-0YB0)可實時計算兩個保護區域(機床部件或者刀具)的間距,機床可以在線實時監控刀具軌跡,防止發生碰撞。

       

      此功能可用于多種機床類型。臥式加工中心,如 Y 軸上下與旋轉工作臺(B軸);車削中心,如刀架與主軸、軸與主軸;五軸加工中心,如旋轉軸與主軸頭(擺臺型);龍門鏜銑床,如附件頭與工件。

       

      可在數控系統中設置碰撞檢測參數,實時計算兩個保護區域(機床部件或者刀具)的間距,防止發生碰撞。碰撞識別和預防功能不論在自動還是點動運行方式下均可使用。碰撞識別和預防功能是用預讀功能得出的運動數據。

       

      該功能對刀具運動軌跡的預判如圖3所示,預判時間可自由設置,保證碰撞被及時檢查。

      20220615102345888.png

      刀具刀柄碰撞預判功能

      應用此功能,需要建立精確的機床模型,以及刀具和工件的模型。精確的模型可以準確預計膨脹位置,并輸出報警26280,使機床停止運動,保護機床和工件。

          

      目前,此功能為西門子系統選項功能,客戶可以根據需要進行選購,對于航空航天領域的機械加工企業,機床設備和工件的材質較為昂貴,非常有必要選購此功能進行碰撞監控。

      5. 結論

          

      以上方法,既可用于大型雙龍門架機床,也可用于普通數控機床的防碰撞控制,簡單實用,安全可靠,可作為機床安全保護方法供參考借鑒。

      作者:王紅亮 嚴昊明 王天宇(沈陽機床設計研究院)  來源:《世界制造技術與裝備市場(WMEM)》雜志2022年第2



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      YHV2012.jpg

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