黃 娟 周燕飛 易 洋

（南京航空航天大學(xué)工程訓(xùn)練中心，江蘇南京211100）

數(shù)控技術(shù)是機(jī)械加工自動化的基礎(chǔ)，是先進(jìn)制造技術(shù)的核心。數(shù)控機(jī)床是先進(jìn)制造技術(shù)的典型代表，是數(shù)控加工教學(xué)的必備設(shè)施。對于規(guī)?；墓こ逃?xùn)練，訓(xùn)練周期一般較短，學(xué)生只能掌握基本的數(shù)控技術(shù)知識，完成基本的加工訓(xùn)練。在訓(xùn)練過程中，學(xué)生操作生疏，撞刀現(xiàn)象時有發(fā)生。這不但影響了訓(xùn)練效率，而且嚴(yán)重影響了機(jī)床的精度，增加了機(jī)床維修頻率和刀具損耗量。

1 數(shù)控加工實踐教學(xué)中存在的主要問題

數(shù)控加工訓(xùn)練教學(xué)的基本目標(biāo)是，學(xué)生經(jīng)過訓(xùn)練，能根據(jù)零件圖紙進(jìn)行數(shù)控加工工藝分析，編制數(shù)控程序并自主完成作業(yè)件的加工。數(shù)控加工實踐教學(xué)包括編程理論課和現(xiàn)場操作課兩部分。學(xué)生向系統(tǒng)輸入程序后，現(xiàn)場加工時經(jīng)常會發(fā)生撞刀現(xiàn)象，撞刀往往導(dǎo)致刀具損壞和機(jī)床精度降低，嚴(yán)重的會導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)控制板損壞、進(jìn)給傳動系統(tǒng)功能喪失。撞刀問題是困擾數(shù)控加工教學(xué)的主要問題。

數(shù)控機(jī)床加工零件的過程包括：操作者根據(jù)圖紙編制出零件程序，然后輸入相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)，接著鎖住機(jī)床調(diào)試程序，再接著裝夾工件對刀，對刀完畢，啟動程序進(jìn)行加工（如圖1）。

在整個過程中，經(jīng)常會發(fā)生嚴(yán)重撞刀的原因有：

（1）在編制零件程序的環(huán)節(jié)中程序編制出錯。一般情況下，程序中關(guān)于刀具走刀軌跡的描述，可通過系統(tǒng)圖形模擬的功能來進(jìn)行測試和校正，但是程序中關(guān)于調(diào)用刀具補(bǔ)償?shù)闹噶睿═指令），系統(tǒng)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(dǎo)致嚴(yán)重撞刀。

（2）在調(diào)試程序過程中操作出錯。一般數(shù)控機(jī)床都有機(jī)床鎖住功能，機(jī)床一旦被鎖住，各運(yùn)動部件就不會動作。機(jī)床鎖住功能用于調(diào)試程序，在調(diào)試程序時，首先鎖住機(jī)床，然后再執(zhí)行程序，這時機(jī)床的坐標(biāo)是跟隨程序中指令的變化而變化，但實際機(jī)床的拖板不移動。這時機(jī)床坐標(biāo)值因為與拖板不同步而使坐標(biāo)系發(fā)生了偏差。如果要恢復(fù)機(jī)床坐標(biāo)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(jī)床坐標(biāo)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(zhí)行下一步的操作，就會因為機(jī)床坐標(biāo)的不統(tǒng)一和不確定性而引起機(jī)床的嚴(yán)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(jìn)行編程，而實際加工時使用不同刀具的刀尖點進(jìn)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(jìn)行對刀，計算出實際刀具與假想的偏差值，并輸入相對應(yīng)的刀補(bǔ)號中。在這個操作過程中，容易發(fā)生錯誤的因素是輸入刀補(bǔ)值的刀補(bǔ)號與程序中調(diào)用的刀補(bǔ)號不對應(yīng)。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(tǒng)，系統(tǒng)從當(dāng)前程序光標(biāo)停留的位置開始執(zhí)行程序。正常加工前，必須在編輯方式把光標(biāo)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(jī)床附件發(fā)生干涉引起的碰撞。在數(shù)控車床中，刀具一般安裝在回轉(zhuǎn)刀盤上。在整個工作區(qū)域中，刀盤體積比較大，在運(yùn)動過程中，容易與車床的尾架、中心架等部件相撞。

2 系統(tǒng)方案的制定和實現(xiàn)過程

針對以上對數(shù)控加工中可能發(fā)生撞刀因素的剖析，從改進(jìn)機(jī)床電氣設(shè)計的角度來制定如下方案來避免發(fā)生撞刀的現(xiàn)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(zhí)行有關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)正常執(zhí)行NC程序的順序是從程序中當(dāng)前光標(biāo)停留的位置開始從上往下執(zhí)行，一個程序段執(zhí)行完畢，執(zhí)行下一個程序段。如果數(shù)控系統(tǒng)在沒有執(zhí)行刀具指令（即沒有調(diào)用刀補(bǔ)）的情況下執(zhí)行刀具移動指令，數(shù)控機(jī)床就會撞刀。從機(jī)床電氣設(shè)計的角度，可以通過改變控制系統(tǒng)執(zhí)行NC程序的常規(guī)過程，來避免這種誤操作造成的撞刀現(xiàn)象。數(shù)控機(jī)床在自動加工過程中，如果執(zhí)行了刀具指令，數(shù)控系統(tǒng)會產(chǎn)生一個刀具指令完成信號。該信號由數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)置PLC根據(jù)CNC檢測到的刀具選通信號、刀具當(dāng)前位置和刀具目標(biāo)位置，按照刀架的換刀邏輯，正確換刀完成后獲得。在執(zhí)行程序時，系統(tǒng)增加檢測是否有換刀指令并完成的環(huán)節(jié)。如果系統(tǒng)接受到換刀完成指令，系統(tǒng)則正常執(zhí)行程序；如果系統(tǒng)在沒有接受到換刀完成指令前，執(zhí)行快速移動或切削進(jìn)給指令，系統(tǒng)自動輸出相應(yīng)的報警信息，同時使機(jī)床停止加工。流程圖如圖2。

數(shù)控機(jī)床的邏輯控制順序通過系統(tǒng)內(nèi)置PLC完成。以FANUC數(shù)控系統(tǒng)為例介紹如何編制PLC程序來完成以上流程的順序控制。數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)CNC-PLC的F地址。報警信息的輸出通過觸發(fā)A地址來完成，機(jī)床的緊急停止通過觸發(fā)系統(tǒng)從PLC-CNC的G地址來完成。PLC程序如圖3。圖中：F1.1復(fù)位信號；F0.5為循環(huán)啟動信號；F2.1為快速進(jìn)給信號；F2.6為切削進(jìn)給信號；F7.3為刀具功能選通信號；X9.7為進(jìn)給暫停按鈕；G8.5為進(jìn)給暫停信號；R501.0為在自動方式下執(zhí)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(zhí)行快移或切削指令；A0.1為報警信號。

2.2 在調(diào)試程序和操作過程中，引起撞刀的解決方案

在調(diào)試程序和操作的過程中，引起撞刀的原因都與機(jī)床鎖住功能有關(guān)。通常情況下，數(shù)控機(jī)床在機(jī)床鎖住狀態(tài)，機(jī)床的各運(yùn)動部件被鎖住，不能運(yùn)動，機(jī)床可以模擬執(zhí)行程序。數(shù)控機(jī)床被解鎖后，機(jī)床的各運(yùn)動部件也即被解鎖，所有功能恢復(fù)，系統(tǒng)可以啟動程序。這時，如果機(jī)床直接對刀或加工工件，就會引起撞刀。原因是機(jī)床鎖住后引起的坐標(biāo)系變化造成坐標(biāo)不統(tǒng)一。只有通過手動回參考點的操作才能使坐標(biāo)系恢復(fù)。從機(jī)床電氣設(shè)計的角度，可以通過改變系統(tǒng)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(shù)控機(jī)床的機(jī)床鎖住功能是通過機(jī)床上的按鈕動作完成的，按鈕在ON位置即機(jī)床鎖住，按鈕在OFF位置即機(jī)床解鎖。在自動方式啟動程序時，不立即執(zhí)行程序，增加檢測機(jī)床鎖住開關(guān)信號的環(huán)節(jié)，如果機(jī)床處于鎖住狀態(tài)，程序允許啟動，相當(dāng)于程序模擬。如果機(jī)床處于解鎖狀態(tài)，再檢測機(jī)床是否被鎖過信號，該信號為機(jī)床鎖住開關(guān)的自鎖信號，只有通過機(jī)床手動回參考點的操作來解鎖。如果機(jī)床被鎖過，則不允許啟動程序，同時系統(tǒng)輸出相應(yīng)報警信息，提示操作者應(yīng)該重新回參考點。如果機(jī)床沒被鎖過，則正常執(zhí)行程序。流程圖如圖4。

FANUC系統(tǒng)中，機(jī)床鎖住通過系統(tǒng)中操作PN按鈕來完成，該信號地址為F75.4。機(jī)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(fā)A地址來完成。PLC程序如圖5。圖中：F75.4為機(jī)床鎖住按鈕；F4.5為回參考點方式；X9.0為X軸減速開關(guān)；X9.1為Z軸減速開關(guān)；X9.2為+Z鍵；X8.5為+X鍵；X9.6為循環(huán)啟動按鈕；R500.0和R500.1為機(jī)床被鎖過信號；R500.3和R500.4為機(jī)床解鎖后X軸和Z軸分別重新回到參考點標(biāo)志；G7.2為循環(huán)啟動信號；A0.2為報警信號。

2.3 刀架與機(jī)床附件發(fā)生干涉，引起碰撞的解決方案

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

首先選擇一個適合在刀架側(cè)面安裝的方型無觸點感應(yīng)開關(guān)，并連接至機(jī)床電柜中系統(tǒng)的輸入空地址（如圖6），然后通過編制PLC程序來實現(xiàn)碰撞前的機(jī)床急停。輸入開關(guān)信號接成常閉形式，當(dāng)機(jī)床正常操作時，該信號為“1”；當(dāng)?shù)都芸拷鼨C(jī)床附件時，觸發(fā)無觸點開關(guān)，信號從“1”變?yōu)椤?”，這時緊急停止機(jī)床，并報警提示操作人員。因為采用的是感應(yīng)開關(guān)，所以在發(fā)生碰撞前就停止了機(jī)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(guān)信號；X9.7為進(jìn)給保持按鈕；A0.2為報警信號；G8.5為系統(tǒng)進(jìn)給暫停信號。

3 結(jié)語

針對數(shù)控教學(xué)中經(jīng)常發(fā)生的撞刀現(xiàn)象，使用以上方法改進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的設(shè)計，打破了系統(tǒng)執(zhí)行程序的常規(guī)過程后，避免了撞刀現(xiàn)象的發(fā)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(xué)過程中，使用以上方法后，解決了學(xué)生在不熟練的情況下練習(xí)操作的過程中易發(fā)生的撞刀現(xiàn)象，同時為學(xué)校節(jié)省了刀具耗材的使用量和機(jī)床的維修費(fèi)用開支。

［1］董麗華.數(shù)控加工編程與操作實用技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［2］宋松.FANUC 0I系列數(shù)控系統(tǒng)維修診斷與實踐［M］.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

［3］高欽和.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計實例［M］.北京：人民郵電出版社，2004.