姜列佳

（一汽解放汽車有限公司無錫柴油機廠，江蘇無錫 214000）

0 引言

現(xiàn)代機械加工已經(jīng)逐步向數(shù)控技術(shù)化轉(zhuǎn)變，尤其是大批量加工，在大批量生產(chǎn)時，對數(shù)控程序的穩(wěn)定性和安全性都提出了更高的要求。

在筆者所在單位，近期某加工中心在正常生產(chǎn)加工中發(fā)生了一起面銑刀撞向工件的碰撞事故，導致面銑刀損壞、工件報廢、設(shè)備精度損傷。該事故發(fā)生時執(zhí)行的是當天日班新調(diào)試成功的刀具試驗程序，距首件調(diào)試成功該程序已重復(fù)執(zhí)行約150次。

而早在2005年某工序加工中心在同樣正常加工時，由于同樣原因?qū)е碌毒咧苯幼矓嘣诒患庸た桌铮ぜ蛔惨苿?6 mm 左右，造成刀具報廢、工件報廢、夾具定位銷被撞斷、精度重校的設(shè)備事故。而當時該事故發(fā)生時執(zhí)行的是早在2004年就編制調(diào)試成功的程序，距首件調(diào)試成功該程序已重復(fù)執(zhí)行了非常多次。

事后分析，兩起事故原因都是由于程序編制時缺少了一個刀長補正（D1），而且發(fā)生事故時程序都經(jīng)過了首件調(diào)試、并驗證加工了較長時間，這種設(shè)備碰撞的潛在隱患必須引起重視。要找出辦法控制在任何條件下，編制程序失補正都不會引起碰撞。

1 背景介紹

以近期的這起事故為例，對其原因分析，是由于新編制的主程序輸入時，在加工的第一把刀具（T2001）執(zhí)行動作的第一行（N250）中缺少D01刀具補償指令（圖1）。當運行程序至N250～295 任意行時，機床出現(xiàn)報警，而操作人員消除報警并執(zhí)行了“TO HOM_POS”操作，“TO HOM_POS”程序會將主軸當前的刀具補償D1 置為D0；此時再啟動加工程序時，由于程序結(jié)構(gòu)原因，會直接跳轉(zhuǎn)至N235開始運行，此時主軸上的刀具刀補是D0，程序也沒有再次輸入D1 刀補指令，造成機床運動后，主軸上刀具沒有了刀長補正，就會發(fā)生主軸與工件碰撞。

圖1 背景程序

再通過程序分析，看出D1 在程序中處于N250 段中，該段較長且D1 所占字符少，在編制和復(fù)查中的確不容易發(fā)現(xiàn)；測試主程序中缺少D1情況下的首件調(diào)試加工，的確無法在調(diào)試中直接發(fā)現(xiàn)問題，該隱患只有在上述的特定情況下才會發(fā)生碰撞。

2 實施過程

通過分析，決定側(cè)重于利用編程手段來解決這個問題，在經(jīng)過了前期的討論和準備后，逐一調(diào)試方案試驗。

2.1 方案一

（1）每次刀具移動前能不能進行D1判斷，分析當前刀具的刀長補正有沒有調(diào)用，能不能避免事故。經(jīng)過查詢系統(tǒng)參數(shù)列表，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)$P_TOOL，可以調(diào)用讀取當前刀長補正值；$P_TOOLNO讀取當前刀具編號，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)參數(shù)含義

進行程序編制，如圖3：在N250 執(zhí)行機床運動前判斷當前調(diào)用的刀補是不是D0，如果是D0，執(zhí)行M0停止。

圖3 方案一程序段

經(jīng)實際調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題：該判斷語句只能判斷N250 前有沒有輸入過D1，并不能分析出下一行（N250）D1有沒有輸入，也就是說即使N250編制時輸入D1 了，在上述特定情況下也會運行M0 導致程序中斷。如果放置在N250段后，在上述特定情況上，運行程序會先撞機床，后執(zhí)行判斷，失去了監(jiān)控意義。

（2）結(jié)論：方案一可實現(xiàn)部分監(jiān)控，實用性較差。

2.2 方案二

（1）對Z 軸機械坐標進行判斷，計算理論值和實際值進行判斷，如圖4。

圖4 系統(tǒng)參數(shù)含義

進行程序編制，在N250 行后添加判斷語句，如圖5，其中329.8 為G55 坐標系Z 向原點設(shè)定值，R252 為測頭補正值，R41 為刀長理論值。當Z 軸機械坐標值大于設(shè)定值，判斷生效，即執(zhí)行M0停止。

圖5 方案二程序段

實際調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題：由于實際刀長和刀長理論值（R41）存有偏差，而且G55坐標系Z向原點設(shè)定值（329.8）由于調(diào)整需要也會進行改動，測頭補償值（R252）頻繁刷新，均會導致判斷條件生效，誤報警。

（2）結(jié)論：方案二無法實現(xiàn)監(jiān)控。

2.3 方案三

（1）采用機床坐標系和基本坐標系對比的方式監(jiān)控，如圖6。

圖6 系統(tǒng)參數(shù)含義

進行程序編制，在N250行后添加判斷語句如圖7，其中R41為刀長理論值?；咀鴺讼岛蜋C床坐標系理論差值為當前刀具實際長度，當?shù)毒邔嶋H長度和理論長度差值大于1 時，判斷生效，即執(zhí)行M0停止。

圖7 方案三程序段

實際調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題：測試N250 沒有輸入D1，在上述特定情況下，運行程序會先撞機床，后執(zhí)行判斷。失去了監(jiān)控意義。

（2）結(jié)論：方案三無法實現(xiàn)監(jiān)控。

2.4 方案四

（1）尋找實現(xiàn)實時監(jiān)控的辦法，也就是說當機床實際運動時進行監(jiān)控。在西門子說明書發(fā)現(xiàn)這個功能，在程序編制上同樣能夠?qū)崿F(xiàn)，即利用同步動作。同步動作可以啟動來自目前零件加工程序各種不同的動作，并同步地執(zhí)行它們?？梢杂脤崟r（在插補循環(huán)中）評估的條件來定義這些動作的啟動點。故動作是反應(yīng)實時事件，程序段界限并不能限制它們的執(zhí)行。

一個同步動作也包含關(guān)于動作有效性和編程的實時變量被掃描的頻率，以及動作被啟動的頻率數(shù)據(jù)。以此方式，可以就一次或在插補循環(huán)中循環(huán)地觸發(fā)一個動作。動作是指：運行時間為重的應(yīng)用使之最適化（如刀具更換）、快速響應(yīng)一個外部事件、編程AC控制、設(shè)定安全性功能等。

在西門子的說明書中，對于同步動作指令的解釋（圖8）。

進行程序編制，在N245 段后添加同步動作，如圖9，其中329.8 為G55 坐標系Z 向原點設(shè)定值，R252為測頭補正值，R41為刀長理論值，500為N250運行后Z向值。當機床運行N250過程中Z軸機械坐標值大于設(shè)定值，執(zhí)行$AC_OVR=0（所有進給軸停止）、DBO_CYCALARM=0（NC向PLC系統(tǒng)發(fā)出報警），實現(xiàn)機床停止。

圖8 同步運動含義

圖9 方案四程序段

實際調(diào)試：如果N250 沒有輸入D1，在上述特定情況下，機床能及時停止并報警，但長期運行該段發(fā)現(xiàn)問題：實際刀長和刀長理論值存有偏差，而且G55 坐標系Z 向原點設(shè)定值由于調(diào)整需要也會進行改動，導致機床運行N250過程中Z軸機械坐標值經(jīng)常大于設(shè)定值，導致誤報警。

（2）結(jié)論：方案四可實現(xiàn)監(jiān)控，但具體數(shù)值仍需調(diào)整。

2.5 方案五

（1）通過系統(tǒng)參數(shù)代替固定值，如圖10，$P_UIFR[2，Z，TR]讀取G55 坐標系設(shè)定的Z 向值，$P_TOOLL（$P_TOOLNO）讀取當前主軸上刀具輸入的刀長實際值，500 為N250 運行后Z 向值。當機床運行N250過程中Z軸機械坐標值大于設(shè)定值，執(zhí)行$AC_OVR=0 （所有進給軸停止）、DBO_CYCALARM=0（NC 向PLC 系統(tǒng)發(fā)出報警），實現(xiàn)機床停止。

圖10 方案五程序段

實際調(diào)試：實現(xiàn)了有效監(jiān)控，能在上述特定情況下停止運行，但跟綜發(fā)現(xiàn)利用該段僅能對下一行（N250）生效。

（2）結(jié)論：方案五可行性較高，但存在一種可能性，在N250運行后并沒有發(fā)生問題，但在執(zhí)行下一次移動時（比如N260）發(fā)生問題。

2.6 方案六

（1）利用ID開啟模態(tài)運行，如圖11。

圖11 ID含義

編程調(diào)試，如圖12，在N250 執(zhí)行后，直到CANCEL（11）行之間的整段中，只要Z 軸機械坐標值大于設(shè)定值，就執(zhí)行$AC_OVR=0（所有進給軸停止）、DBO_CYCALARM=0（NC向PLC系統(tǒng)發(fā)出報警），實現(xiàn)機床停止。

實際調(diào)試：實現(xiàn)了有效監(jiān)控，能在上述特定情況下停止運行，持續(xù)跟蹤并多次測試均情況穩(wěn)定，能及時發(fā)現(xiàn)異常。

（2）結(jié)論：方案六實現(xiàn)了有效監(jiān)控，并且是整段監(jiān)控，跟蹤有效，推廣至全線加工中心程序編制，并固態(tài)實施。

圖12 方案五程序段

3 研究和詮釋

3.1 研究

實施效果跟蹤有效，同步運動的實際改善運用成功，給今后的程序編制添加了很多方便之處。更多操作人員可以利用同步動作，實現(xiàn)很多原來依靠程序無法實現(xiàn)、需要PLC 完成、或者根本沒有手段完成的功能。

同步運動的實際意義在于數(shù)控機床在加工過程中，可以并行處理幾個程序，當條件滿足時觸發(fā)動作，這就需要同步動作功能來實現(xiàn)。同步動作是指當前的零件程序執(zhí)行時觸發(fā)幾個不同的動作并使它們同步執(zhí)行。它可以在零件程序中定義，也可以在上電之后直接從一個由PLC 啟動的異子程序中定義。在每個同步動作中可以編程一個或多個動作。所有在一個程序段中編程的動作以相同的插補節(jié)拍啟動。同步動作的特點是可以不受運動方式的影響，在手動、自動方式下，一直循環(huán)掃描啟動條件一旦成立即執(zhí)行。

同步運動可應(yīng)用范圍廣泛。比如當Z 軸機械坐標大于1 051時，執(zhí)行換刀門開啟動作，節(jié)省換刀時間，可以降低單臺設(shè)備節(jié)拍，如圖13；當主軸功率達到某一定值時，自動降低進給率，提升的刀具耐用度；當更換新刀后，自動該刀具加工完停止，實現(xiàn)在線及時檢測；當夾具在指定位置完成指定動作（夾緊、松開等），實現(xiàn)夾具的自動避讓功能等等。這些應(yīng)用部分已經(jīng)應(yīng)用到目前的設(shè)備上，實施效果良好。

圖13 同步運動的其他應(yīng)用

3.2 詮釋

同步動作語句“ID（S）=n WHEN 條件DO 動作”由多達5 個具有不同任務(wù)的指令單元組成，結(jié)構(gòu)如下。

（1）識別號（ID、IDS）一個同步動作的有效性范圍通過識別號確定。

1）無識別號：為非模態(tài)同步動作，在自動方式運行時生效且僅適用于下一個程序段。

2）ID=n（n=1～255）：同步動作在自動方式下模態(tài)激活后續(xù)程序段。

通過CANCEL（n）或者通過編程一個新的具有相同ID號的另一個同步動作取消。

3）IDS=n（n=1～255）：靜態(tài)同步動作在所有運行方式模態(tài)有效。它可以在零件程序中定義，也可以在上電之后直接從一個由PLC 啟動的異步子程序中定義。靜態(tài)同步動作與NC中所選擇的運行方式無關(guān)，直接運行。

模態(tài)和靜態(tài)有效的同步動作以其ID（S）代碼的順序進行加工，ID（S）編制時一定注意n 編號不要同時執(zhí)行。

程序段方式有效的同步動作（無ID 號）在加工模態(tài)有效的同步動作結(jié)束之后，按照編程的順序進行處理。

（2）關(guān)鍵字：用來確定查詢條件和執(zhí)行相應(yīng)動作的次數(shù)。可以使用的條件有：沒有關(guān)鍵字、WHEN、WHENEVER、FROM、EVERY。

1）沒有關(guān)鍵字：如果沒有關(guān)鍵字，則該條件一直被看作滿足，同步動作在每個插補周期循環(huán)執(zhí)行，動作執(zhí)行不受條件制約。

2）WHEN：在每個插補節(jié)拍中對條件進行查詢，直到該條件被滿足時為止，然后將相應(yīng)的動作準確執(zhí)行一次。一旦動作執(zhí)行一次，條件不再檢查。

3）WHENEVER：條件滿足的每個插補周期循環(huán)執(zhí)行。即在每個插補節(jié)拍中對條件進行查詢，循環(huán)檢查；只要條件被滿足，就在每個插補節(jié)拍中執(zhí)行相應(yīng)的動作。

4）FROM：在每個插補節(jié)拍中對條件進行檢查，直到條件滿足時為止。如果條件滿足一次，只要同步動作有效，該動作在每個插補周期循環(huán)執(zhí)行，也就是說在該條件不再滿足后也如此。

5）EVERY：條件滿足一次，動作執(zhí)行一次。是脈沖沿控制即條件從狀態(tài)FALSE 轉(zhuǎn)換到TRUE，則執(zhí)行一次動作。

（3）條件：實時變量的邏輯量，在插補節(jié)拍中檢查該條件。比如比較實時變量、兩個比較結(jié)果之間的布爾邏輯聯(lián)系、計算實時表達式、時間（距離程序段開始/距離程序段結(jié)束）、測量值，測量結(jié)果等，確定是否應(yīng)該執(zhí)行一個動作。

（4）DO：當滿足條件時，執(zhí)行動作。

（5）動作：當滿足條件時給已開始的動作或者變量賦值，或?qū)⒛硞€程序當作動作調(diào)用等。

4 小結(jié)

總結(jié)全文，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用同步動作功能可以靈活完成PLC 難以控制的動作。同步動作還具有如下突出優(yōu)點：實時監(jiān)控、實時處理、響應(yīng)速度快、調(diào)整簡單方便、簡化了PLC程序。

當然，要實現(xiàn)防撞監(jiān)控不僅僅是可以利用同步運動，也可以使用設(shè)定加工區(qū)域、設(shè)定極限等方法實現(xiàn)。本文只是從一個方面來解決這個問題，主要目的是用于剖析在日新月異的數(shù)控技術(shù)變化面前，作為數(shù)控操作人員，不能僅僅局限于利用已知的技術(shù)手段進行技術(shù)革新，更要利用現(xiàn)有的資料和能挖掘的手段，積極嘗試，大膽探索，實現(xiàn)改善創(chuàng)新。

［1］SINUMERIK.840D/840Di/810D 工作準備部分［Z］.2010.