CN110560808A

CN110560808A - 碰撞保护方法

Info

Publication number: CN110560808A
Application number: CN201910492550.2A
Authority: CN
Inventors: M.塔博瑞利
Original assignee: Ajie Chamilles Co Ltd
Current assignee: Ajie Chamilles Co Ltd
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2019-12-13
Anticipated expiration: 2039-06-06
Also published as: US20190377316A1; EP3579066A1; US10877458B2; CN110560808B

Abstract

本发明涉及一种用于在包括计算机数字控制（CNC）和多个轴的机床中的意外碰撞的情形中减轻损伤的方法，其中，监测碰撞的发生，包括：识别作为在其处首先检测到碰撞的轴的第一轴，识别作为平行于所述第一轴的轴的第二轴，以及，确定是否所述轴中的两者或者一个或者没有轴是静止的。如果两者都是静止的，则解锁第一轴或两个轴。如果第一轴或第二轴不是静止的，则运动轴被定义为碰撞物，且所述运动轴被制动，且同时，静止轴被解锁或闪开或者保持就位。如果两个轴都是运动的，则基于在其处已经首先检测到碰撞的所述所识别的第一轴来定义碰撞物轴，制动所述碰撞物轴，且同时使平行于所述碰撞物轴的轴解锁或闪开。

Description

碰撞保护方法

背景技术

本发明公开了一种在与机床、尤其是电火花线加工机意外碰撞的情形中减轻损伤的方法。

关于带有一个或多个定位轴的机床、操纵器和其他装置的问题是意外碰撞的风险，即，在机器的零件与其他机器零件或工件或夹固工具或其他零件之间的碰撞。碰撞可以确定对机器的显著损坏和操作的中断。若干主动、被动、预防和反应保护方法和装置因此已经被开发且在本领域中已知。本发明公开了一种反应方法，在其中，检测碰撞事件且采取合适的动作以避免或者限制损伤。

在本领域中已知，当检测到碰撞事件时，执行紧急制动。通过将马达电流换流到最大可能范围，例如十倍的额定电流，或者替代地或者通过马达绕组的短路，执行紧急制动。

在授予Miles等人的GB2334226A中公开了一个替代方案，其公开了一种布置为检测机械过载的设备，包括一个或多个力或应变测量元件。在过载的情形中，控制工具控制去到被置于无效力状态的机床的电力供给。通过激活紧急停止电路或者通过激活馈送保持和主轴停止电路，实现所述无效力状态。然而，通过如Miles中所建议的那样激活紧急停止电路，碰撞物未被制动，使得与利用紧急制动相比，碰撞可能强烈得多。

授予Garcia Angulo的专利申请公开WO2007003664A1公开了一种用于电火花线加工机入口的冲击保护系统，其特征在于，线引导头通过负载单元连接到机器的结构零件。当被监测信号超过预设值时，机器的控件通过迅速地停止机器或者使运动反向来控制轴。要理解到，所述运动的反向是指将基本上颠倒的运动轴，使得轴将停止并且然后逆向运动。

利用这些已知的反应方法，所经受的损伤可能仍然严重，因为机床被构建为是刚性的，使得碰撞质量通常相当大，且行进速度也可能相当大。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法，其在与机床的意外碰撞的情形中减轻损伤。特别地，本发明的目的是提供一种充分且可靠的方法，其在与机床的意外碰撞的情形中减轻损伤。

根据本发明，通过独立权利要求的特征实现这些目的。此外，从从属权利要求和说明书产生进一步有利的实施例。

根据本发明，一种用于在包括计算机数字控制（CNC）和多个轴的机床中的意外碰撞的情形中减轻损伤的方法，其中，监测碰撞的发生，包括：识别作为在其处首先检测到碰撞的轴的第一轴，识别作为平行于所述第一轴的轴的第二轴，确定是否所述轴中的两者或者一个或者没有轴是静止的；如果确定所述第一轴和所述第二轴是静止的，则仅解锁所述第一轴，或者解锁所述第一轴和第二轴两者；和/或，如果确定所述第一轴和第二轴中的一个是静止的，且所述第一轴和第二轴中的另一个运动，则运动轴被定义为碰撞物轴且被制动，并且解锁静止轴或者使其闪开或者保持；和/或，如果确定所述第一轴和所述第二轴是运动的，则作为在其处首先检测到碰撞的轴的第一轴被定义为碰撞物轴且被制动，并且，制动或解锁或闪开第二轴。

通过确定所述轴中的一个或者两者或者没有轴是静止的，可以在考虑具体情形的情况下，采取合适的动作。在检测到碰撞而同时两个轴静止的特定情形中，简单地解锁所述两个轴。因为其两者的速度都是零，所以它们中没有一个可以是碰撞物。

在检测到碰撞而同时所述两个轴中的一个静止的情形中，运动轴被定义为碰撞物轴且被制动。因为第二轴是静止的，所以其不能是碰撞物，然而，取决于具体情况，解锁所述静止轴，或者使其闪开或者保持。

最后，在检测到碰撞而同时第一轴和第二轴两者都运动的情形中，则碰撞物被识别为在其处首先检测到碰撞的轴。所述碰撞物轴被制动。取决于具体情况，所述第二轴被制动或者解锁或者闪开。

利用一致（concordant）的轴的解锁和闪开两者，对质量惯性的影响和碰撞刚度的降低被积极地利用，以大幅减小碰撞力。在闪开的情形中，这通过命令位移主动做出，而在解锁的情形中，腾空运动是由于被传递到平行轴上的动能所致。

总之，在碰撞的情形中，组合紧急动作通过制动碰撞物轴和通过使平行于碰撞物轴的轴闪开或解锁来实现。存在要与碰撞物轴的制动同时采取的关于每个具体轴的合适动作，以分别降低碰撞刚度和/或降低要制动的负载质量，以最小化碰撞冲击力和在碰撞的情形中的机器损伤。这种合适的动作特定于机器的运动链系的设计，且特定于每个发生的碰撞事件。

在本发明的实施例中，碰撞物轴和所述至少一个其他轴彼此平行。换言之，被解锁或者使其闪开的轴平行于碰撞物轴。

本发明的主要改进通过碰撞物轴的制动以及通过同时引致的关于平行于碰撞物轴的轴的动作实现。然而，不平行于碰撞物轴的另一轴可以被同时解锁或使其闪开，以在碰撞的情形中进一步缓解。

因此，在本发明的另一实施例中，其中垂直于第一轴的第二轴是在其处首先检测到碰撞的轴，已经被识别为碰撞物轴的轴被制动，同时，如果另一个轴是静止的，则其被解锁。

在一些实施例中，方法包括以下描述的步骤。如果确定所述第一轴和所述第二轴是静止的（速度=0），则所述第一轴和/或所述第二轴被解锁。如果确定所述第一轴和第二轴中的一个是静止的（速度=0），且所述第一轴和第二轴中的另一个是运动的（速度≠0），则运动轴被定义为碰撞物轴且被制动，并且静止轴被解锁或者使其闪开或者保持。如果确定所述第一轴和所述第二轴是运动的（速度≠0），则作为在其处首先检测到碰撞的轴的第一轴被定义为碰撞物轴且被制动，并且第二轴被制动或者被解锁或者闪开。

参考该实施例，要指出的是，如果第一和第二轴两者都是运动的，则毫无疑问地确定哪一个轴是碰撞物轴并不总是可能的。尤其是速度方向和机器的运动链系的设计的附加信息用于最终确定碰撞物和结果要采取的动作。

在本发明的实施例中，平行于碰撞物轴且被解锁或者使其闪开的轴，

- 被碰撞物轴支承，或者，

- 支承碰撞物轴，或者

- 与碰撞物轴相对，

且平行于碰撞物轴的所述轴被解锁或者使其闪开。

被碰撞物轴“支承”意味着，所考虑的轴在相同运动链系中串联，即，在碰撞物轴的上方。考虑图3的示例性情形，在Y轴上运动的柱30被安装在固定基座12上。在V轴上运动的滑块50平行于Y轴。在本情形中，V轴被Y轴支承，反过来，Y轴“支承”V轴。

与碰撞物轴“相对”意味着，所考虑的轴未被安装在碰撞物轴的相同运动链系中，换言之，两个轴未被串联安装在静止的机器床身上。考虑图2的示例性情形，在X轴上运动的工作台20被安装在固定基座12上。在U轴上运动的滑块40平行于X轴。在本情形中，在本发明的意义内，U轴与X轴“相对”，且反之亦然。

在本发明的实施例中，通过中断驱动要解锁的所述一个或多个轴的马达的电力供给来进行解锁。对于线性马达来说，受控的轴解锁是合适的选项，而这在具有滚珠螺杆的旋转致动器的情形中不是有利的。

在本发明的实施例中，通过使平行于所述碰撞物轴的轴加速来进行闪开。在具有滚珠螺杆的旋转马达的情形中，优选地利用例如是马达连续电流的5倍的最高可能的马达峰值电流值来进行该轴加速。在线性马达的情形中，优选地利用马达在短时间内允许的绝对最大电流值（其例如是线性马达连续额定电流的10倍）来进行轴加速。

在本发明的实施例中，通过碰撞物轴的速度方向和/或通过平行于所述碰撞物轴的轴的速度方向来确定平行于所述碰撞物轴的轴的闪开方向。

在其中第一轴或第二轴中的一个不静止的本发明的实施例中，如下确定闪开方向：

- 如果通过碰撞物轴支承平行于所述碰撞物轴的轴，则平行于碰撞物轴的所述轴的闪开如下进行：

如果所述平行轴是在其处首先检测到碰撞的轴（第一轴），在碰撞方向上，以及

如果所述平行轴不是在其处首先检测到碰撞的轴，逆着碰撞方向，

- 如果平行于所述碰撞物轴的轴支承碰撞物轴，则逆着碰撞方向进行平行于所述碰撞物轴的轴的闪开，以及

- 如果平行于所述碰撞物轴的轴与碰撞物轴相对，在碰撞方向上进行平行于所述碰撞物轴的所述轴的闪开。

一般而言，闪开方向取决于

- 平行的第一轴和第二轴的配置，意味着，是否它们与彼此“相对”或者是否它们属于相同的运动链系，

- 第一轴，意味着，在其处首先检测到碰撞的轴，以及

- 所述两个轴的速度。

在一个有利的实施例中，如果第一轴和第二轴属于相同的运动链系，并且如果所述第一轴和第二轴都是运动的，则将第一轴定义为碰撞物，且其被制动，并且

如果第一轴和第二轴的绝对速度具有相同符号，则：

如果所述第二轴支承第一轴，则制动第二轴，或者

如果所述第二轴被第一轴支承，则第二轴在碰撞方向上闪开或者被解锁；或者

如果绝对速度具有相反的符号，则：

如果所述第二轴被第一轴支承，则制动第二轴，或者

如果所述第二轴支承第一轴，则第二轴在碰撞方向上闪开或者被解锁。

在本发明的实施例中，闪开受限于预定位移值。出于安全原因，闪开优选地受限于小的值，例如小于1mm，例如100µm，其对应于在最大速度处的轴的典型制动距离。类似地，优选地监测解锁的轴的行进距离，且如果穿过给定距离，例如1mm或者更少，则发起制动。以这种方式，限制另一个轴的不受控的运动，尤其限制其他碰撞的风险。

为了限制峰值冲击力并且最小化机器损伤，基础的是最小化从碰撞事件的一开始到其检测的响应时间，并且一旦碰撞物零件进入与碰撞目标的接触，就尽可能最快地命令紧急制动。通过将碰撞处理算法可能地完全嵌入马达电子驱动单元和/或控制单元，实现最小的响应时间。

在本发明的实施例中，通过使用用于电气马达的已知制动技术，例如主动制动，制动碰撞物轴。通过使马达电流反向以及强加马达可忍受的最大电流，实现主动制动。该电流可以高达马达连续电流的10倍。最大制动电流通常通过如下事实确定：马达永磁体可被过量电流消磁。

在本发明的另一实施例中，通过动态制动来制动碰撞物轴。通过使马达绕组短接来实现“动态”制动。马达被瞬间切换以表现为异步发电机，从而转换以电流计算的转子的动能，且耗散由绕组电阻生成的热量。

如果马达电子驱动单元（驱动）能够提供所需要的高制动电流，主动制动技术更有效。利用“动态”制动技术实现的制动效率仍然相当良好，且取决于如R、L和反电动势常数的马达的电气参数。制动可包括受控的后退，这意味着，一旦轴停止，其收缩预设量，例如100µm，以便缓解压缩。

在实施例中，根据本发明的用于减轻损伤的方法包括

识别作为在其处首先检测到碰撞的轴的第一轴；

- 识别作为垂直于所述第一轴的轴的第二轴；

- 确定是否所述轴中的两者或者一个或者没有轴是静止的，以及

如果确定所述第一轴和所述第二轴是静止的，则仅解锁所述第一轴，或者解锁所述第一轴和第二轴两者，和/或

如果确定所述第一轴和第二轴中的一个是静止的，且所述第一轴和第二轴中的另一个运动，则运动轴被定义为碰撞物轴且被制动，并且同时解锁静止轴，和/或

如果确定所述第一轴和所述第二轴运动，则制动所述第一轴和所述第二轴。

在实施例中，应用监测电路以检测碰撞。监测电路包括如下中的一个或多个：应变或力监测电路，优选地包括至少一个压电应变传感器或应变仪，马达电流监测电路，以及轴位置偏移监测电路，其通过监测实际轴位置（例如利用玻璃分划尺测量）和期望位置（即，通过控制程序命令的位置）的差异来确定位置偏移。要理解到，可以使用轴位置偏移和/或速度偏移和/或加速度偏移来实现所述轴位置偏移监测电路。实现碰撞监测电路，以便于提供可能最快且安全的碰撞事件信号。快速碰撞检测是实现损坏减轻的先决条件。

在本发明的实施例中，轴的速度值被确定为所命令的位置关于时间的第一导数，且轴的速度方向被确定为所述速度的符号，即，正或者负。

典型地，所考虑的轴速度是所命令的速度，然而，可以使用所测量的速度或者所计算的速度代替所命令的速度。

在本发明的实施例中，在规则表中定义要为机床的每个具体轴采用的紧急动作，而紧急动作包括制动、保持轴位置、解锁和闪开。

优选地，为所有碰撞情况预先定义包括要采用的紧急动作的预先定义的规则表。优选地，如果在碰撞事件中涉及两个平行轴，则所述规则表至少包括要采取的动作。然而，规则表可以包括要通过不平行于碰撞物轴的轴（具体地，对于彼此垂直的轴对）采取的某些动作。

可以以任何形式建立规则表，例如以逻辑的形式，且其优选地与控制单元或马达电子驱动单元集成。优选地还预先定义每个动作的参数，诸如例如，用于闪开等的预定位移值。

考虑例如早前描述的在图2中示出的T-基座机器的两个平行轴X和U，其中X和U是相对轴，现在说明包括用于8种具体碰撞情况的合适的紧急动作的规则表：

其中首先在U上检测到碰撞的情形：

，（无运动）→解锁U，解锁X（或者：解锁U，保持X）

→向前闪开U，制动X

（或者：解锁U，制动X）

，→制动U，向前闪开X

（或者：制动U，解锁X）

→制动U，制动X

其中首先在X上检测到碰撞的情形：

，（无运动）→解锁U，解锁X（或者：保持U，解锁X）

→解锁U，制动X（或者：保持U，制动X）

，→制动U，解锁X（或者制动U，保持X）

→制动U，制动X（或者：解锁U，制动X）。

现在，考虑在图2中示出的相同描述的T-基座机器的两个平行的轴Y和V，其中，Y和V属于相同运动链系，对应的规则表不同于上文中说明的U和X轴的情形，如下：

其中首先在V上检测到碰撞的情形：

,（无运动）→解锁V，解锁Y（或者解锁V，保持Y）

, →向后闪开V，制动Y

（或者：保持V，制动Y）

, →制动V，向后闪开Y

（或者：制动V，保持Y）

, →制动V，制动Y，或者，对于更有效的动作，根据所述两个轴的绝对速度的符号，同样可能区别如下：

令被支承轴（V轴）的绝对速度，

如果 ,→制动V，制动Y

如果,→制动V，向前闪开Y

（或者制动V，解锁Y）

其中首先在Y上检测到碰撞的情形：

,（无运动）→解锁V，解锁Y（或者保持V，解锁Y）

, →向前闪开V，制动Y

（或者：解锁V，制动Y）

,→制动V，保持Y（或者：制动V，解锁Y）

,→解锁V，制动Y（或者：制动V，制动Y）或者，对于更有效的动作，根据所述两个轴的绝对速度的符号，同样可能区别如下：

令被支承轴（V轴）的绝对速度，

如果 ,→向前闪开V，制动Y

（或者：解锁V，制动Y）

如果,→制动V，制动Y

注意，在上文的表中，“闪开”动作被指定为“向前”或者“向后”闪，即，在一些情形中，在碰撞方向上（或者“向前”）进行闪开，且一些其他情形中，逆着碰撞方向（或者“向后”）进行闪开。

在本发明的优选实施例中，其在“相对”轴的碰撞的情形中是合适的，规定，

- 如果确定所述第一轴和所述第二轴是静止的（速度=0），则仅解锁所述第一轴或者解锁所述第一轴和第二轴，以及

- 如果确定所述第一轴和第二轴中的一个是静止的（速度=0），且所述第一轴和第二轴中的另一个是运动的（速度≠0），则运动轴被定义为碰撞物轴且被制动，并且解锁静止轴或者使其向前闪开或者被保持，以及

- 如果确定所述第一轴和所述第二轴是运动的（速度≠0），则作为在其处首先检测到碰撞的轴的第一轴被定义为碰撞物轴且被制动，并且第二轴被制动或者被解锁。

在本发明的实施例中，其在属于相同运动链系的一对轴的碰撞的情形中是合适的，规定：

- 如果确定所述第一轴和所述第二轴是静止的（速度=0），则解锁所述第一轴或者解锁所述第一轴和第二轴两者，以及

- 如果确定所述第一轴和第二轴中的一个是静止的（速度=0）且所述第一轴和第二轴中的另一个运动（速度≠0），则：

如果第一轴是静止的，且所述第一轴被第二轴支承，则第一轴向后闪开或者被保持，且第二轴被制动；

如果第一轴是运动的，且所述第一轴被第二轴支承，则第一和第二轴两者都被制动；

如果第一轴是静止的，且所述第一轴支承第二轴，则第一轴被保持或者解锁，且第二轴被制动；

如果第一轴是运动的，且所述第一轴支承第二轴，则第一轴被制动，同时第二轴向前闪开或者被解锁。

- 如果确定所述第一轴和所述第二轴是运动的（速度≠0），则紧急动作取决于第一轴是否被第二轴支承或者其是否支承第二轴，使得存在两种可能的组合动作：

如果第一轴被第二轴支承，则第一和第二轴两者都被制动；

如果第一轴支承第二轴，则第一轴被制动，同时第二轴被解锁或者向前闪开。

对于在此以上所说明的第二情形，其中，确定所述第一轴和第二轴中的一个是静止的（速度=0），且所述第一轴和第二轴中的另一个是运动的（速度≠0），紧急动作取决于第一轴（在其上首先检测到碰撞的轴）是静止的还是运动的，以及第一轴是否被第二轴支承或者是否其支承第二轴，使得在碰撞的情形中要采用所列出的四个组合动作中的一个。

规则表例如包括四个单独的紧急动作：制动、保持、解锁和闪开，其中，闪开动作是向前或向后的运动。“保持”意味着，控制马达以根据控制程序保持所命令的轴位置，其中，没有碰撞事件所驱使的改变。所命令的轴位置的保持是CNC机床的任何轴的标称状态。因此，如果所关注的轴已经是静止的，则“制动”动作变成“保持”动作。

如可以看到的，规则表还可包括用于关于固定轴所检测到的碰撞的紧急动作。这可以例如在通过另一轴（意味着除了在其处首先检测到碰撞的第一轴并且除了作为平行于所述第一轴的轴的第二轴之外）生成的碰撞的情形中发生。该另一轴还可以是外部装置，诸如机器人或托盘交换器。在外部装置的操作期间，机器轴通常静止，使得碰撞可归因于所述外部装置。

已经参考如在附图中所示的具有T-基座的机器解释了规则表。其他机器轴概念要求其他紧急策略，其借助于紧急策略的具体规则表来预先定义。要理解到，规则表为平行轴对而定义，且可包括用于垂直轴或用于其他机器轴的动作。

机器轴运动链系的具体设计和机器的大小确定经运动的质量。在本发明的实施例中，通过机器轴运动链系确定规则表。

优选地，借助于所述规则表为具体的机器设计和为具体的碰撞情况预先定义针对每个轴要采取的合适的动作。碰撞情况通过碰撞物和目标的具体组合来表征，换言之，涉及哪些轴。特别地，如果碰撞事件涉及一对平行轴（分别是X//U、Y//V），则碰撞物轴被制动，而平行轴被解锁或闪开或者保持或者制动。其中机器轴都被不加区别地制动或解锁的紧急动作是在本领域中已知的。

基本上，如下识别具体的碰撞情况：

- 确定在其上首先检测到碰撞的轴以及与其平行的轴；

- 在方向和值（是零还是非零）方面，确定所述两个平行的轴的速度。

如本文以上所描述的，本发明所要求保护的减轻碰撞的措施基本上在于解耦目标的质量或者联接到目标的质量，或者在于主动地位移目标，以及同时制动碰撞物轴。

为了进一步降低在碰撞的情形中的峰值力，已知的方法可以与本发明组合。一个这种已知措施是提供带有弹性层的大部分暴露的表面。

在优选实施例中，优选地利用双通道马达驱动器来实现组合的紧急策略。双通道马达驱动器可从大多数驱动制造商得到，且可以有利地用于驱动两个经适当配对（即，平行或者垂直）的轴的马达，以及用于对接其反馈装置（每个轴一个或两个）。

优点在于，双通道驱动器包括单个共用的CPU或PLC，其运行专用于辨认具体碰撞事件的SW例程且命令在两个轴上的相关紧急动作，而没有通过可以引入时延的外部通信总线而到其他单元或装置的任何数据传送。通过使用这种集成的解决方案，碰撞检测和反应时间可以被减少到最小值。

附图说明

为了描述可以以其获得本公开的优点和特征的方式，在下文中，将通过参考在附图中图示的其具体实施例，呈现上文中简要描述的原理的更具体的描述。这些附图仅描绘了本公开的示例性实施例，且不因此被视为限制其范围。通过使用附图，以附加的详情和细节来描述和解释本公开的原理，在附图中：

图1图示了电火花线加工机的机器框架，其具有T-基座型机械概念；

图2图示了在工件与上部线引导头之间的碰撞；

图3图示了在工件与下部线引导头之间的碰撞；

图4到图7图示了在检测到碰撞之后力随着时间的发展。

具体实施方式

在电火花线加工机（WEDM）中，在工件上方和下方引导机床（tool）（即，经张紧行进的线电极）。基本上，上部线引导件和下部线引导件借助于X/Y和U/V轴对在工件上方和下方的两个平行平面中运动，且竖直Z轴用于控制所述两个线引导件之间的距离。线引导件用于精确地引导经张紧行进的线电极。线引导件在所述两个平面中独立地运动，以执行工件的柱形或者锥形加工。

一般而言，机床中的轴命名通过ISO 841“工业自动化系统和集成-机器的数字控制-坐标系和运动命名”来定义，其中，X、Y和Z是线性轴，其中，Z与机器的主轴（或者机床（tool））对准；A、B和C分别是围绕X、Y和Z旋转的旋转轴；并且U、V和W分别是沿X、Y和Z的平行线性轴。

存在用于WEDM机器的运动链系的设计的许多可能的变型，然而根据定义，U轴平行于X轴，且V-轴平行于Y轴。

根据一个这种设计变型，机器框架10具有如在图1中所示的T-基座设计，其中，T-基座12支承使工件1（未示出）安装在其上的工作台20运动的X轴21，且T-基座12进一步支承Y轴31，Y轴31支承运动柱30。柱30串联支承U-滑块40、V-滑块50和最后具有上部线引导头62的Z轴60。线引导臂32安装在柱30的前侧上。线引导臂32支承下部线引导头33。第二对垂直轴（41、51）、U-滑块40和V-滑块50安装在运动柱30的顶部上，与Y轴串联。

对于柱形加工，线电极2是竖直的，且仅X轴和Y轴运动，即，工件1在X方向上运动，且线电极在Y方向上运动。对于渐缩加工，借助于U轴和V轴，上部线引导头62相对于下部线引导头33位移。

根据工件高度设置竖直Z轴的位置，且其在加工期间通常不运动。

在机床中，在机器设置时，当人类操作者以手动模式使机器轴运动时，有时发生意外碰撞。然而，在施行自动加工程序中，也可能发生碰撞，例如，如果程序没有被彻底测试且包含轨迹中的错误，或者如果在加工过程中从工件脱离的零件留在工作区域中，且变成机器轴的障碍。

如下是可能在WEDM机器中发生的一些典型的碰撞事件：

- 分别支承上部和下部线引导件的线引导头可能碰撞到工件或者碰撞到固定安装（即，沿两个水平方向或者在竖直方向上相对于工作台固定）的其它零件。

从工件分离的诸如失落件之类的固体零件可能落到工作区域中，且可能碰撞到下部头或者通常碰撞到下部臂。

小的长方形失落件可能掉到下部线引导件的喷嘴孔口中，且当下部线引导头运动时，与工件碰撞。

动能由碰撞物的负载质量以及由碰撞速度给出，且进一步地，碰撞点的刚度、到碰撞检测的时间延迟和到反应的延迟以及制动效率都决定碰撞峰值力和机器的变形或者损坏。“负载质量”是在碰撞的情形中确定动能的相关质量，其通常包括碰撞轴和通过碰撞轴支承的所有机器零件的质量。这通过本发明被至少部分地避免。

在以下描述中，在碰撞方向上运动且通过行进驱使碰撞的机器零件被定义为“碰撞物”或者“碰撞物轴”，而另一零件，即，被碰撞物击中的零件，被定义为“碰撞目标”、“目标轴”或简单地“目标”。碰撞物和目标的角色可以通过机床侧（加工头）或工件侧来假设。

机床侧和/或工件侧由数个线性和/或旋转轴（通过其实现期望的自由度（DoF）数目）支撑。

根据本发明，监测碰撞的发生，识别碰撞物轴，且尽可能快地制动碰撞物轴。同时，一个其他轴被解锁，或者使其闪开，其中，该其他轴典型地是平行于碰撞物轴的轴。

本发明利用了如下事实：某些多轴机床、尤其是某些电火花线加工机的机械概念允许“组合的紧急动作”，其比传统的机器轴的仅制动或馈送保持命令更有效。通过如下事实确定该可能性：WEDM包括两对平行轴，其根据本发明是受控的以便于降低碰撞的影响。

要在碰撞事件的情形中采用的一个这种组合紧急动作基本上在于在制动碰撞物轴时解锁一个或多个轴。“解锁”或脱解或释放意味着大幅消除或者至少显著地减少轴的固定和运动零件之间的联接。该联接典型地是通过马达和/或传动链确定的力联接。此处，通过中断对要解锁的轴的马达的电力供给来进行解锁。这产生两个效果：

- 如果通过被解锁的轴支撑目标，则降低碰撞刚度；

- 如果通过解锁，解耦了一部分碰撞物质量，则减少了要制动的负载质量。

参考具有在附图中图示的“T-基座”机械概念的线EDM机器，以举例的方式，解释通过解耦实现的范围和优点。

图2和图3图示了碰撞事件的两个示例，其中，根据本发明的组合紧急动作，包括同时的碰撞物轴的制动和平行于碰撞物轴的另一轴的解锁，导致两个所描述的有利效果。

图2参考当X轴21向右运动时，高的工件1对上部头62的左侧的碰撞的情形。

U轴41是固定的，这意味着机器正在进行柱形加工或者X/Y轴定位。

此处，组合紧急动作在于制动作为碰撞物的X轴（其在图2中利用下降的影线高亮），且同时解锁作为目标的U轴41（利用上升的影线高亮）。以这种方式，碰撞刚度和冲击峰值力剧烈降低。

然而，只有如果被解锁的轴能够自由运动，U轴41的解锁才是有利的，这是如果通过线性马达驱动轴则有的情形，而如果通过滚珠螺杆驱动轴，则其不是有利的，因为螺杆一般是自锁的，因此防止轴平移。

在由滚珠螺杆驱动的轴的情形中，可以通过在传动链内提供机械锁定/解锁工具（诸如安全离合器）来中断联接。然而该实施例将要求用于每个轴的安全离合器，这需要额外的空间。此外，其将增加机器的成本。进一步地，其降低传动链的刚度。最后，机械锁定/解锁工具可能导致延迟的解耦，这是不可接受的，使得这种变型被排除。

在该情形中，可以命令第三类型的紧急动作，即“闪开”。“闪开”意味着，利用最高可能的加速来施行突然的逃逸运动。闪开在距离方面是受限的，以便于实现典型地几百微米的有限的最终位移，这是碰撞物制动距离的范围。通过组合X轴21的制动和U轴41向右的闪开，碰撞刚度和冲击峰值力被极大降低。当然，“闪开”还可以在通过线性马达驱动的轴的情形中使用。

如所述，如果X-滑块是碰撞物，其碰撞到表示目标的静止的U轴，则制动X轴，且U轴被解锁或者闪开。反之，如果U-滑块是碰撞物，且X轴是静止目标，则X轴被解锁或者闪开，且U轴被制动。一旦在X轴或U轴处检测到碰撞，则可以通过确定速度的方向和值来容易地辨认这两种不同的碰撞事件。如以上所解释的，位置的第一时间导数表示速度值，且速度的符号反映运动方向。

图3图示了下部头33的前侧对工件1的碰撞。此处Y轴31向左以速度运动，且碰撞到被夹固在固定工作台20上的工件1。V轴51也相对于柱30静止，即，，从而保持其位置。但是因为V轴51（在图3中利用上升影线/高亮）通过Y轴31支撑，所以所述V轴和所述Y轴以Y的相同的绝对速度运动，即，。换言之，V轴的相对速度，但是其绝对速度不为零。

此处，组合紧急动作要制动Y轴31，即碰撞物（利用下降的影线\高亮），且同时解锁V轴51（在图3中利用上升影线/高亮），因为V轴通过Y轴支撑。以这种方式，要制动的质量显著降低，从600到350kg。

如果与此相反，在这种碰撞的情况下，V轴留在“保持位置”状态中，则控件通过馈送必需的马达电流来反应，以便于维持联接到V轴51的整个质量（250千克，利用上升影线/高亮）关于柱30的质量（350千克，利用下降的影线\高亮）刚性。通过根据本发明解锁V轴51，其质量通过惯性以初始速度继续滑动，且仅由于摩擦而减速，直到其停止为止。

因此，通过采用用于Y/V的同时制动和解锁的组合紧急动作，要制动的质量降低到例如小于50%，且冲击力降低相同倍。因此仅Y轴动能的一部分要被制动吸收。

对于该图3的情形，闪开意味着在与碰撞的Y轴相同的方向上加速V轴可以取代V轴51的解锁。事实上，根据作用与反作用定律，用于V-滑块50的上部质量的向前的推力要求通过相反的推力支撑，其对于Y-滑块30的下部质量向后。通过V轴51在与碰撞的Y轴相同的方向上的加速所生成的向前的推力对柱30和U-滑块40的向前运动起作用。以这种方式，实现用于Y轴的更有效的制动。

根据本发明，第二轴可以是垂直于第一轴的轴，第一轴是在其处首先检测到碰撞的轴。已经被识别为碰撞物轴的轴被制动，同时另一个轴被解锁。

事实上，尽管许多碰撞是单轴的，但是力分量是至多三轴的。因此脱解法向于所检测到的碰撞的方向的轴在某些条件下是有利的。举例来说，参考在图3中描绘的情形，让我们假设工件1是柱形，且下部线引导头33与工件在Y方向上碰撞。因为V轴51平行于碰撞的Y轴31，所以V轴被解锁或使其闪开。此外，如果X轴被解锁，由于X方向上的碰撞力分量，工作台20可能逃逸，从而有助于缓解碰撞。更一般而言，所述另一轴可以是线性轴，其相对于碰撞物轴成角度。此处，该另一轴可以沿平行分量通过闪开来施行缓解运动。该实施例也可应用于具有独立受控的上部和下部线引导头的电火花线加工机，诸如通过GF加工解决方案的“Quadrax”概念。利用Quadrax，上部和下部线引导头中的每一个通过分别安装在固定横向件上方和下方的垂直的轴对来支承。

这同样适用于旋转轴；例如通过使目标远离碰撞物旋转，可以缓解碰撞点。然而，这种紧急动作暗示着某些风险；必须针对每个具体情形分析解锁或闪开的后果。如果关于所述至少一个其他轴的解锁或闪开是不安全的，则优选地以已知方式制动该轴或者保持在其位置中。

在图4到图7中示出的图图示了在检测到碰撞之后碰撞力随着时间的发展。所有这些图表示从检测时间t=0开始的相应的碰撞力，在t=0处，力已经达到200N的阈值。已经借助于用于相应的碰撞情形的模型计算了这些图。图4和图6参考线性马达驱动的轴，而图5和图7参考通过具有滚珠螺杆的旋转马达驱动的轴。

特别地，图4图示了其中在碰撞力方面比较四个可能的组合紧急动作的图，对于图2的碰撞情形，涉及一对“相对”平行轴X和U，而所述轴通过线性马达驱动。所考虑的碰撞速度是，对于X轴（碰撞物），处于v_X=3.0 m/min的最大快速定位速度，而U轴是静止的，即，v_U=0（柱形加工的情形）。碰撞点的刚度是4.5 N/µm，而该刚度反映了两个刚度，碰撞物的一个和目标的一个。图4图示了这四个情形：

- 解锁X和解锁U

- 制动X和保持U

- 制动X和解锁U

- 制动X和闪开U。

在该模型中，在简短的时间间隔内，制动电流或步进电流已经被设置为马达所允许的绝对最大电流值，此处将其假定为是线性马达连续额定电流的10倍。

如在图中所示，目标轴（U）的解锁或闪开允许降低碰撞刚度，且因此显著地降低冲击峰值力。

图5图示了其中在碰撞力方面比较三个可能的组合紧急动作的图，仍然针对图2的碰撞情形，涉及一对“相对”平行轴X和U，而通过旋转马达加包括滑轮（减速比4:1）和滚珠螺杆的机械传动来驱动所述轴。所考虑的碰撞速度是，对于X轴（碰撞物），处于v_X=3.0 m/min的最大快速定位速度，同时U轴是静止的，即v_U=0（柱形加工的情形）。碰撞点的刚度是4.5N/µm。

图5图示了这三个情形：

- 解锁X和解锁U

- 制动X和保持U

- 制动X和闪开U。

在该模型中，制动电流或步进电流已经被设置为马达标称峰值电流，意味着马达连续电流的大约5.5倍。

注意用于动作“解锁X/解锁U”的巨大峰值力。这是由于存储在马达转子加机械传动（滑轮和滚珠螺杆）中的非常高的动能，该动能是平移质量的动能的大约四倍。

对于具有滚珠螺杆的旋转马达的情形，解锁轴对因而是不明智的。此处要采取以实现可能低的峰值力的最佳动作是“制动X/闪开U”。此处的第二最佳动作是动作“制动X/解锁U”。动作“制动X/解锁U”几乎等同于动作“制动X/保持U”（未示出），因为当解锁轴时，腾空（flight）运动仍然被滚珠螺杆的小螺旋角阻碍。

图6图示了其中在碰撞力方面比较四个可能的组合紧急动作的图，现在针对图3的碰撞情形，涉及属于相同运动链系的一对平行轴Y和V（V被Y支承），而所述轴通过线性马达驱动。所考虑的碰撞速度是，对于Y轴（碰撞物），处于v_Y=3.0 m/min的最大快速定位速度，同时V轴是静止的，即v_V=0（柱形加工的情形）。碰撞点的刚度是8N/µm。

图6图示了这四个情形：

- 解锁Y和解锁V

- 制动Y和保持V

- 制动Y和解锁V

- 制动Y和闪开V。

通过解锁被支承轴（V），同时制动支承轴（Y），要制动的质量显著降低。另一方面，通过使被支承轴（V）在碰撞方向上闪开而同时制动支承轴（Y），要制动的质量降低，且通过使被支承轴在碰撞方向上向前步进（这在支承轴（Y）上生成向后的推力）来进一步增强制动，从而确定甚至更低的峰值力。

图7图示了其中在碰撞力方面比较三个可能的组合紧急动作的图，仍然针对图3的碰撞情形，涉及属于相同运动链系的一对平行轴Y和V（V被Y支承），而所述轴通过旋转马达加包括滑轮（减速比4.1）和滚珠螺杆的机械传动来驱动。

图7图示了这三个情形：

- 解锁Y和解锁V

- 制动Y和保持V

- 制动Y和闪开V。

注意用于动作“解锁Y/解锁V”的巨大峰值力。这是由于存储在马达转子加机械传动（滑轮和滚珠螺杆）中的非常高的动能，该动能是平移质量的动能的大约八倍。

在该情形中，当支承轴（Y）被制动时，被支承轴（V）在碰撞方向上的闪开不产生相对于动作“制动Y/解锁V”或“制动Y/保持V”的显著改进。这是由于如下事实：动能的主要部分被存储在旋转马达和机械传动中，而不是在平移轴滑块中。

而且，解锁被支承轴与保持它大致相同，因为由于滚珠螺杆的小螺旋角，其不能施行无阻碍的向后位移。

图确认了以下内容：

- 关于第一和第二轴的组合同时动作提供碰撞峰值力的大幅减少；

- 其中碰撞物被制动且所述另一轴被解锁的组合同时动作导致大幅改进，然而使所述另一轴闪开甚至更好。

- 旋转和线性驱动器表现完全不同，且要求不同的动作；解锁不适用于经滚珠螺杆致动的轴，因此此处，如果存在的话，要采用闪开。

参考标记列表

1 工件

2 线

10 WEDM机器框架

12 T-基座

20 工作台

21 X轴

30 柱

31 Y轴

32 线引导臂

33 下部线引导头

40 U-滑块

41 U轴

50 V-滑块

51 V轴

60 Z轴

62 上部线引导头

Claims

1.一种用于在包括计算机数字控制（CNC）和多个轴的机床中的意外碰撞的情形中减轻损伤的方法，其中，监测碰撞的发生，所述方法包括：

- 识别作为在其处首先检测到碰撞的轴的第一轴；

- 识别作为平行于所述第一轴的轴的第二轴；

如果确定所述第一轴和第二轴中的一个是静止的，且所述第一轴和第二轴中的另一个运动，则运动轴被定义为碰撞物轴且被制动，并且同时静止轴被解锁或者使其闪开或者保持，和/或

如果确定所述第一轴和所述第二轴是运动的，则第一轴被定义为碰撞物轴且被制动，并且同时第二轴被制动或者解锁或者闪开。

2.根据权利要求1所述的用于在意外碰撞的情形中减轻损伤的方法，其特征在于，平行于所述碰撞物轴的轴，

- 被所述碰撞物轴支承，或者

- 支承所述碰撞物轴，或者

- 与所述碰撞物轴相对，

并且，平行于所述碰撞物轴的所述轴被解锁或者使其闪开或者被保持或者制动。

3.根据权利要求1或2所述的用于在意外碰撞的情形中减轻损伤的方法，其特征在于，通过中断驱动要解锁的所述一个或多个轴的马达的电力供给来进行解锁。

4.根据前述权利要求中的一项所述的用于在意外碰撞的情形中减轻损伤的方法，其特征在于，通过使平行于所述碰撞物轴的轴加速来进行所述闪开。

5.根据前述权利要求中的一项所述的用于在意外碰撞的情形中减轻损伤的方法，其特征在于，通过所述碰撞物轴的速度方向和/或通过平行于所述碰撞物轴的轴的速度方向来确定平行于所述碰撞物轴的轴的闪开方向。

6.根据前述权利要求中的一项所述的用于在意外碰撞的情形中减轻损伤的方法，其特征在于，如果所述第一轴和所述第二轴中的一个不是静止的，则如下确定闪开方向：

- 如果由所述碰撞物轴支承平行于所述碰撞物轴的轴，则如下进行平行于所述碰撞物轴的所述轴的闪开：

如果所述平行轴是在其处首先检测碰撞的轴，在所述碰撞方向上，以及

如果所述平行轴不是在其处首先检测到碰撞的轴，逆着所述碰撞方向，以及

- 如果平行于所述碰撞物轴的轴支承所述碰撞物轴，则逆着所述碰撞方向进行平行于所述碰撞物轴的所述轴的闪开，以及

- 如果平行于所述碰撞物轴的轴与所述碰撞物轴相对，则在所述碰撞方向上进行平行于所述碰撞物轴的所述轴的闪开。

7.根据前述权利要求中的一项所述的用于在意外碰撞的情形中减轻损伤的方法，其特征在于，如果所述第一轴和所述第二轴属于相同的运动链系，且如果所述第一轴和所述第二轴二者都运动：

- 所述第一轴被定义为碰撞物，且其被制动，并且

如果所述第一轴和所述第二轴的绝对速度具有相同符号，则：

如果所述第二轴支承第一轴，则制动第二轴，或者

如果所述第二轴被第一轴支承，则所述第二轴在所述碰撞方向上闪开或者被解锁；或者

如果所述绝对速度具有相反符号，则：

如果所述第二轴被所述第一轴支承，则制动所述第二轴，或者

如果所述第二轴支承第一轴，则所述第二轴在所述碰撞方向上闪开或者被解锁。

8.根据前述权利要求中的一项所述的用于在意外碰撞的情形中减轻损伤的方法，其特征在于，所述闪开受限于经确定的位移值。

9.根据前述权利要求中的一项所述的用于在意外碰撞的情形中减轻损伤的方法，其特征在于，通过以下来制动所述碰撞物轴：

- 使马达电流反向，或者

- 使马达级的绕组短接。

10.一种用于在包括计算机数字控制（CNC）和多个轴的机床中的意外碰撞的情形中减轻损伤的方法，其中，监测碰撞的发生，所述方法包括：

- 识别作为在其处首先检测到碰撞的轴的第一轴；

- 识别作为垂直于所述第一轴的轴的第二轴；

如果确定所述第一轴和所述第二轴运动，则所述第一轴和所述第二轴被制动。

11.根据前述权利要求中的一项所述的用于在意外碰撞的情形中减轻损伤的方法，其特征在于，配置成确定碰撞的监测电路包括如下中的一个或多个：

- 应变或力监测电路，

- 马达电流监测电路，

- 轴位置偏移监测电路。

12.根据前述权利要求中的一项所述的用于在意外碰撞的情形中减轻损伤的方法，其特征在于，通过双通道驱动器来成对地控制所述机床的轴。

13.根据前述权利要求中的一项所述的用于在意外碰撞的情形中减轻损伤的方法，其特征在于，在规则表中定义要为所述机床的每个具体轴采用的紧急动作，且所述紧急动作包括制动、保持位置、解锁和闪开。

14.根据前述权利要求中的一项所述的用于在意外碰撞的情形中减轻损伤的方法，其特征在于，利用电火花线加工机来实现所述方法。

15.一种包括计算机数字控制和多个轴的电火花线加工机，其特征在于，所述计算机数字控制配置成实施根据权利要求1到14中的一项所述的方法。