同步运动的防碰撞技术研究

姜列佳

（一汽解放汽车有限公司无锡柴油机厂，江苏无锡 214000）

0 引言

现代机械加工已经逐步向数控技术化转变，尤其是大批量加工，在大批量生产时，对数控程序的稳定性和安全性都提出了更高的要求。

在笔者所在单位，近期某加工中心在正常生产加工中发生了一起面铣刀撞向工件的碰撞事故，导致面铣刀损坏、工件报废、设备精度损伤。该事故发生时执行的是当天日班新调试成功的刀具试验程序，距首件调试成功该程序已重复执行约150次。

而早在2005年某工序加工中心在同样正常加工时，由于同样原因导致刀具直接撞断在被加工孔里，工件被撞移动16 mm 左右，造成刀具报废、工件报废、夹具定位销被撞断、精度重校的设备事故。而当时该事故发生时执行的是早在2004年就编制调试成功的程序，距首件调试成功该程序已重复执行了非常多次。

事后分析，两起事故原因都是由于程序编制时缺少了一个刀长补正（D1），而且发生事故时程序都经过了首件调试、并验证加工了较长时间，这种设备碰撞的潜在隐患必须引起重视。要找出办法控制在任何条件下，编制程序失补正都不会引起碰撞。

1 背景介绍

以近期的这起事故为例，对其原因分析，是由于新编制的主程序输入时，在加工的第一把刀具（T2001）执行动作的第一行（N250）中缺少D01刀具补偿指令（图1）。当运行程序至N250～295 任意行时，机床出现报警，而操作人员消除报警并执行了“TO HOM_POS”操作，“TO HOM_POS”程序会将主轴当前的刀具补偿D1 置为D0；此时再启动加工程序时，由于程序结构原因，会直接跳转至N235开始运行，此时主轴上的刀具刀补是D0，程序也没有再次输入D1 刀补指令，造成机床运动后，主轴上刀具没有了刀长补正，就会发生主轴与工件碰撞。

图1 背景程序

再通过程序分析，看出D1 在程序中处于N250 段中，该段较长且D1 所占字符少，在编制和复查中的确不容易发现；测试主程序中缺少D1情况下的首件调试加工，的确无法在调试中直接发现问题，该隐患只有在上述的特定情况下才会发生碰撞。

2 实施过程

通过分析，决定侧重于利用编程手段来解决这个问题，在经过了前期的讨论和准备后，逐一调试方案试验。

2.1 方案一

（1）每次刀具移动前能不能进行D1判断，分析当前刀具的刀长补正有没有调用，能不能避免事故。经过查询系统参数列表，发现系统参数$P_TOOL，可以调用读取当前刀长补正值；$P_TOOLNO读取当前刀具编号，如图2所示。

图2 系统参数含义

进行程序编制，如图3：在N250 执行机床运动前判断当前调用的刀补是不是D0，如果是D0，执行M0停止。

图3 方案一程序段

经实际调试，发现问题：该判断语句只能判断N250 前有没有输入过D1，并不能分析出下一行（N250）D1有没有输入，也就是说即使N250编制时输入D1 了，在上述特定情况下也会运行M0 导致程序中断。如果放置在N250段后，在上述特定情况上，运行程序会先撞机床，后执行判断，失去了监控意义。

（2）结论：方案一可实现部分监控，实用性较差。

2.2 方案二

（1）对Z 轴机械坐标进行判断，计算理论值和实际值进行判断，如图4。

图4 系统参数含义

进行程序编制，在N250 行后添加判断语句，如图5，其中329.8 为G55 坐标系Z 向原点设定值，R252 为测头补正值，R41 为刀长理论值。当Z 轴机械坐标值大于设定值，判断生效，即执行M0停止。

图5 方案二程序段

实际调试，发现问题：由于实际刀长和刀长理论值（R41）存有偏差，而且G55坐标系Z向原点设定值（329.8）由于调整需要也会进行改动，测头补偿值（R252）频繁刷新，均会导致判断条件生效，误报警。

（2）结论：方案二无法实现监控。

2.3 方案三

（1）采用机床坐标系和基本坐标系对比的方式监控，如图6。

图6 系统参数含义

进行程序编制，在N250行后添加判断语句如图7，其中R41为刀长理论值。基本坐标系和机床坐标系理论差值为当前刀具实际长度，当刀具实际长度和理论长度差值大于1 时，判断生效，即执行M0停止。

图7 方案三程序段

实际调试，发现问题：测试N250 没有输入D1，在上述特定情况下，运行程序会先撞机床，后执行判断。失去了监控意义。

（2）结论：方案三无法实现监控。

2.4 方案四

（1）寻找实现实时监控的办法，也就是说当机床实际运动时进行监控。在西门子说明书发现这个功能，在程序编制上同样能够实现，即利用同步动作。同步动作可以启动来自目前零件加工程序各种不同的动作，并同步地执行它们。可以用实时（在插补循环中）评估的条件来定义这些动作的启动点。故动作是反应实时事件，程序段界限并不能限制它们的执行。

一个同步动作也包含关于动作有效性和编程的实时变量被扫描的频率，以及动作被启动的频率数据。以此方式，可以就一次或在插补循环中循环地触发一个动作。动作是指：运行时间为重的应用使之最适化（如刀具更换）、快速响应一个外部事件、编程AC控制、设定安全性功能等。

在西门子的说明书中，对于同步动作指令的解释（图8）。

进行程序编制，在N245 段后添加同步动作，如图9，其中329.8 为G55 坐标系Z 向原点设定值，R252为测头补正值，R41为刀长理论值，500为N250运行后Z向值。当机床运行N250过程中Z轴机械坐标值大于设定值，执行$AC_OVR=0（所有进给轴停止）、DBO_CYCALARM=0（NC向PLC系统发出报警），实现机床停止。

图8 同步运动含义

图9 方案四程序段

实际调试：如果N250 没有输入D1，在上述特定情况下，机床能及时停止并报警，但长期运行该段发现问题：实际刀长和刀长理论值存有偏差，而且G55 坐标系Z 向原点设定值由于调整需要也会进行改动，导致机床运行N250过程中Z轴机械坐标值经常大于设定值，导致误报警。

（2）结论：方案四可实现监控，但具体数值仍需调整。

2.5 方案五

（1）通过系统参数代替固定值，如图10，$P_UIFR[2，Z，TR]读取G55 坐标系设定的Z 向值，$P_TOOLL（$P_TOOLNO）读取当前主轴上刀具输入的刀长实际值，500 为N250 运行后Z 向值。当机床运行N250过程中Z轴机械坐标值大于设定值，执行$AC_OVR=0 （所有进给轴停止）、DBO_CYCALARM=0（NC 向PLC 系统发出报警），实现机床停止。

图10 方案五程序段

实际调试：实现了有效监控，能在上述特定情况下停止运行，但跟综发现利用该段仅能对下一行（N250）生效。

（2）结论：方案五可行性较高，但存在一种可能性，在N250运行后并没有发生问题，但在执行下一次移动时（比如N260）发生问题。

2.6 方案六

（1）利用ID开启模态运行，如图11。

图11 ID含义

编程调试，如图12，在N250 执行后，直到CANCEL（11）行之间的整段中，只要Z 轴机械坐标值大于设定值，就执行$AC_OVR=0（所有进给轴停止）、DBO_CYCALARM=0（NC向PLC系统发出报警），实现机床停止。

实际调试：实现了有效监控，能在上述特定情况下停止运行，持续跟踪并多次测试均情况稳定，能及时发现异常。

（2）结论：方案六实现了有效监控，并且是整段监控，跟踪有效，推广至全线加工中心程序编制，并固态实施。

图12 方案五程序段

3 研究和诠释

3.1 研究

实施效果跟踪有效，同步运动的实际改善运用成功，给今后的程序编制添加了很多方便之处。更多操作人员可以利用同步动作，实现很多原来依靠程序无法实现、需要PLC 完成、或者根本没有手段完成的功能。

同步运动的实际意义在于数控机床在加工过程中，可以并行处理几个程序，当条件满足时触发动作，这就需要同步动作功能来实现。同步动作是指当前的零件程序执行时触发几个不同的动作并使它们同步执行。它可以在零件程序中定义，也可以在上电之后直接从一个由PLC 启动的异子程序中定义。在每个同步动作中可以编程一个或多个动作。所有在一个程序段中编程的动作以相同的插补节拍启动。同步动作的特点是可以不受运动方式的影响，在手动、自动方式下，一直循环扫描启动条件一旦成立即执行。

同步运动可应用范围广泛。比如当Z 轴机械坐标大于1 051时，执行换刀门开启动作，节省换刀时间，可以降低单台设备节拍，如图13；当主轴功率达到某一定值时，自动降低进给率，提升的刀具耐用度；当更换新刀后，自动该刀具加工完停止，实现在线及时检测；当夹具在指定位置完成指定动作（夹紧、松开等），实现夹具的自动避让功能等等。这些应用部分已经应用到目前的设备上，实施效果良好。

图13 同步运动的其他应用

3.2 诠释

同步动作语句“ID（S）=n WHEN 条件DO 动作”由多达5 个具有不同任务的指令单元组成，结构如下。

（1）识别号（ID、IDS）一个同步动作的有效性范围通过识别号确定。

1）无识别号：为非模态同步动作，在自动方式运行时生效且仅适用于下一个程序段。

2）ID=n（n=1～255）：同步动作在自动方式下模态激活后续程序段。

通过CANCEL（n）或者通过编程一个新的具有相同ID号的另一个同步动作取消。

3）IDS=n（n=1～255）：静态同步动作在所有运行方式模态有效。它可以在零件程序中定义，也可以在上电之后直接从一个由PLC 启动的异步子程序中定义。静态同步动作与NC中所选择的运行方式无关，直接运行。

模态和静态有效的同步动作以其ID（S）代码的顺序进行加工，ID（S）编制时一定注意n 编号不要同时执行。

程序段方式有效的同步动作（无ID 号）在加工模态有效的同步动作结束之后，按照编程的顺序进行处理。

（2）关键字：用来确定查询条件和执行相应动作的次数。可以使用的条件有：没有关键字、WHEN、WHENEVER、FROM、EVERY。

1）没有关键字：如果没有关键字，则该条件一直被看作满足，同步动作在每个插补周期循环执行，动作执行不受条件制约。

2）WHEN：在每个插补节拍中对条件进行查询，直到该条件被满足时为止，然后将相应的动作准确执行一次。一旦动作执行一次，条件不再检查。

3）WHENEVER：条件满足的每个插补周期循环执行。即在每个插补节拍中对条件进行查询，循环检查；只要条件被满足，就在每个插补节拍中执行相应的动作。

4）FROM：在每个插补节拍中对条件进行检查，直到条件满足时为止。如果条件满足一次，只要同步动作有效，该动作在每个插补周期循环执行，也就是说在该条件不再满足后也如此。

5）EVERY：条件满足一次，动作执行一次。是脉冲沿控制即条件从状态FALSE 转换到TRUE，则执行一次动作。

（3）条件：实时变量的逻辑量，在插补节拍中检查该条件。比如比较实时变量、两个比较结果之间的布尔逻辑联系、计算实时表达式、时间（距离程序段开始/距离程序段结束）、测量值，测量结果等，确定是否应该执行一个动作。

（4）DO：当满足条件时，执行动作。

（5）动作：当满足条件时给已开始的动作或者变量赋值，或将某个程序当作动作调用等。

4 小结

总结全文，可以发现应用同步动作功能可以灵活完成PLC 难以控制的动作。同步动作还具有如下突出优点：实时监控、实时处理、响应速度快、调整简单方便、简化了PLC程序。

当然，要实现防撞监控不仅仅是可以利用同步运动，也可以使用设定加工区域、设定极限等方法实现。本文只是从一个方面来解决这个问题，主要目的是用于剖析在日新月异的数控技术变化面前，作为数控操作人员，不能仅仅局限于利用已知的技术手段进行技术革新，更要利用现有的资料和能挖掘的手段，积极尝试，大胆探索，实现改善创新。

［1］SINUMERIK.840D/840Di/810D 工作准备部分［Z］.2010.