集成防碰撞保护的控制系统

    刀具和夹具系统或主轴与机床工作台在机床运行过程中发生碰撞，会对机床造成惨重的损失和停产。在加工过程中，机床与工件之间在规定参数范围内永远不应该发生任何碰撞性的接触。那么，那些大型的控制系统和机床生产厂商为防止发生意外的碰撞应该采取什么样的措施呢？

现代机床切削速度越来越快，切削路径也越来越复杂，实际工作中要想使机床操作人员预测机床发生碰撞的可能性，并在紧急状态下及时关闭开关和切断电源几乎是不可能的。同时，操作人员的安全也需要由控制系统来保证。为此，大部分机床制造商开发了机床碰撞保护系统，并将这种保护应用到“在线”的CNC控制系统上，或通过外界“脱机”的PC机来实现。一般来说，一些在线的保护可以立即使用，并将其内置到大部分的高端和高规格CNC控制系统之中。尽管在某种程度上，制造商或多或少地会采用同样的思维方式来解决这些问题，但各种方法之间还是存在着本质上的区别。

    防碰撞控制系统的准确安装位置应该在什么地方？在使用PC机前，用什么方法来模拟机床及其各轴的运动？还是采用实时控制？虽然这两种方法不一定能提供 100%的保证，但各有各的优缺点。对于实时控制的系统而言，CNC的核心必须配置性能优良的计算功能，按照一般规律，这意味着需要消耗较高的内存。实时控制本身就具有很强的通用性，它能够立即适应情况的变化。你不可能经常在计算机上精确地模拟机床的现实模型，或预测所有运动和事件。如果发生了意想不到的事情，那么必须首先在计算机上修改这一模型，以恢复其碰撞保护功能。

    另一方面，CNC系统的实时控制就好像是与机床的一个模型一起工作，然后开始模拟运动。其有效性特别体现在防碰撞控制系统能立即启动，使加工停止，这是因为其已经预测到碰撞的可能性，换句话说已经模拟到发生碰撞的可能性。因此，实时保护具有与CNC系统中模型数据一样好的功能。这对于在PC机上的模拟来说也同样有效，至少PC机可以接入精度极高的CAM数据和计算机所具有的强大功能。

    Fanuc GE公司的30i系列和31i系列控制系统提供“3D干扰检查”功能。它采用潜在碰撞物体的几何数据进行工作，操作员将碰撞物体的有关参数直接输入到 CNC系统内，并由工厂内部开发的软件支持其工作，将一些有风险的区域，例如像机床的工作台或夹具系统，采用几何数字确定。CAD的数据也可读入到系统之中。按照Fanuc公司的说法，几何图形元素能够在模型中以1μm的精度，精确地模拟实际外形轮廓。Fanuc GE CNC德国公司的执行总裁Leopold Schenk先生解释说：“CNC系统能够将空间信息和当前机床数据考虑在内，用以计算轴的运动。这也就是说，主CPU能够在4ms时间内计算出所有在碰撞模型中发现的物体，这一时间几乎与轴的插补时间相等。如果存在碰撞的风险，机床就会在一个特殊范围内的零件前停止进行最后的插补程序。”如碰撞模型太复杂而不能在4ms内完成计算的话，Fanuc GE公司就会采用一种升级战略：将时间加倍增加到8ms，并设置一个更宽松的包络曲线给予补偿。Schenk先生向公司做出了这样的一个承诺：“如果配置正确，那么‘3D干扰检查’系统就能帮助机床避免碰撞，其可靠性几乎达到了100%。”Schenk先生不喜欢采用PC机的脱机解决方案，他认为这种方法所能提供的可靠性十分有限：“脱机分析完全是根据日常的经验来确定大多数发生碰撞的情况，然后进行操作设定，但实际上很多行为无法通过虚拟环境预测。像 ‘3D干扰检查’这样的集成系统能够堵补所有这些影响可靠性的漏洞。它们采用实时监控，并可按机床的现状连续调节。”

    Siemens 公司最近正在研究一种在线防碰撞保护系统，准备连接并应用到Sinumerik CNC控制系统。Siemens公司机床部经理Uwe Haeberer先生这样说：“其基本功能已经在NC核心系统中得到实现，并已成功地完成了初步试验。这种新理念已经获得了进一步的发展，而且也开始在操作员的接口界面上转换。”它应该通过无缝连接的方式，用PC机与现有的Siemens脱机解决方案连接。Haeberer先生承认：“然而，只有在加工时，当碰撞控制系统在CNC系统上发生作用的时候，才能显示其真正的功能。因此，像夹具装置的变化等因素应特别考虑在内。然而，正如我们所看到的那样，还没有一种解决方案适合全面的开发目标，在我们的竞争对手中，也没有一家公司能够提供真正令人满意的解决方案。”因此，主要的问题是为机床操作员解决更加友好的操作界面问题。然而，Siemens公司已经做了第一次尝试，引进刀具数据，在这方面目前还没有国际标准。按照该公司的说法，现在还不清楚操作人员如何将夹具系统的数据输入到防碰撞监控系统之中。Haeberer先生补充说：“我们还不打算销售防碰撞监控系统，直到我们完全弄清楚各部分的功能。如果所需要的数据还不完全，或者不符合质量要求，那么就不可能制造出一个可靠的防碰撞监控系统。”

    Heidenhain公司在其i-TCN 530控制系统中安装了一个动态防碰撞监控系统（DCM）。这一系统甚至可以在CNC系统上根据设置操作运行，而且也考虑到了夹具装置的位置。机床操作员可以从屏幕上看到所有处于工作区域的机床元件。凡是有碰撞风险的区域可以通过控制系统显示确认，让操作员可以在屏幕上将各个相应的元件从碰撞区移走。屏幕可独立地接入Heidenhain系统，因此工作区可以在一个窗口显示，而CNC程序可以在另一个窗口显示。如果出现碰撞的风险，控制系统就会自动停机。

    Mazak 公司的Matrix控制系统上有两个CPU同时工作，在一个工件加工的同时，CPU就开始模拟另一个工件的加工情况。零件是在加工前就开始检查的，因此 Mazak公司的机床应用部经理助理Stephan Fabry先生说：“这可以使操作员顺利地运行程序，而不会发生碰撞现象。”卡盘、刀柄和附件所需的空间都已经在控制系统的工作区标明，操作员只需要加入机床的形状就可以了。有了这些信息以后，再对加工的工件进行模拟加工试验，看其是否存在潜在的碰撞因素。

IPC上的CNC软件也采用图形元素

    Beckhoff 公司的控制系统主要由工业PC机和软件组成，而对于CNC部分来说，Beckhoff公司则提供Twin-Cat的CNC程序。与Fanuc系统相似，这一集成控制系统处理风险区域，其中包括刀具、夹具以及机床的其他元件。Beckhoff公司的产品部经理Matthias Koester先生解释说：“图形零件的最小距离可以通过任何CAD程序确定，而且是可以编程的。在内部，控制系统采用CAD的VRML Export来描述零件。在即将发生碰撞以及出现错误描述的时候，也会创建一个图像错误信息，使操作员能够及时发现问题。”

    Bosch Rexroth公司在其MTX控制系统中提供在线碰撞控制功能。Andreas Jenke先生是Bosch Rexroth公司电气驱动控制业务部负责机床工业管理的经理，他支持CNC系统采用双重控制的模拟方法和内置保护系统，他说：“防碰撞控制是通过CNC 控制系统实现的，因为只有那里才储存那些与实际机床操作相同的相关数据。为了模拟的需要，我们在PC机上创建了一个虚拟CNC系统，该系统能够像真正的机床那样，采用同样的数据或参数进行工作。”

    当CNC数控系统尽可能精确地上载大量的数据，并且当程序能够容易操作的时候，CNC的防碰撞保护系统才能发挥其最大的功能。现在，复杂的、快速的、高端的机床上都配有顶级质量的控制系统，而现在的大部分控制系统都集成了防碰撞监控系统。