CN113985811B - 一种数控机床防碰撞控制方法及数控机床 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种数控机床防碰撞控制方法及数控机床，该数控机床防碰撞控制方法包括记录进给轴的机械行程并对应调整正、负机械防撞装置的位置；将机械行程划分区间并记录非正常移动区间的端点坐标；实时获取进给轴在当前的机床坐标并转存；数控机床断电重启后，先读取进给轴前次的机床坐标并转存；依据进给轴前次与当前的机床坐标判断进给轴是否回零并控制进给轴转速；进给轴在回零完成后，判断各端点坐标设置是否合理并修正。这样可以避免因数控机床限位保护功能失效、行程开关故障而发生撞机事故，因而能够提高数控机床的精度保持性，降低数控机床的故障率，并且可以取消行程开关，既提高可靠性又降低成本。

Description

一种数控机床防碰撞控制方法及数控机床

技术领域

本申请涉及到数控机床技术领域，尤其涉及到一种数控机床防碰撞控制方法及数控机床。

背景技术

数控机床各进给轴在自动加工过程中必须依照坐标运动，因此在数控机床装调时会对各进给轴分别设置一个参考点，然后建立坐标系。参考点是固定点，通常设为坐标零点，是数控装置控制机床运动的基准点，也是数控机床进行位置控制、坐标显示的统一标准。

目前，数控机床位置反馈的检测方式有增量式位置检测和绝对式位置检测两种，数控机床返回参考点(通常称为回零)根据采用检测装置不同分为无挡块式回零和挡块式回零，无挡块式回零应用于绝对式位置检测，而挡块式回零应用于增量式位置检测装置的情况。由于增量式位置检测装置断电后机床坐标值归零，因此每次机床开机都要进行回零操作，回零完成后方可进行其它操作。

当前中低端数控机床大多采用增量式位置检测装置，制造商从安全角度考虑，通常会对每个进给轴设定三道保护防线：软限位、硬限位、防撞装置。软限位保护的前提是机床回零完成信号生效，否则数控装置的限位功能无效，而且如果数控装置的行程极限点坐标未做设置或者设置不合理，限位功能即使生效也没有保护效果；硬限位保护即行程开关保护，但一旦行程开关失灵即失去保护作用；防撞装置是纯粹的机械保护。

采用增量式位置检测装置的数控机床，重新上电后，在执行机床回零操作前，数控装置的限位功能未生效，而数控装置的限位功能未生效时，数控机床缺少软限位保护；此外，数控装置的限位功能还取决于行程极限点坐标，如果系统参数未做设置或者设置不合理，限位功能即使生效也没有保护效果。数控机床如果限位保护失效，就可能会发生碰撞，轻则影响机床的精度，重则造成该轴机械部件损坏，甚至机械部件直接冲出，造成“机毁人亡”的重大安全事故。

发明内容

本申请提供了一种数控机床防碰撞控制方法，用以改善数控机床上电重启后限位保护失效的问题。

第一方面，提供了一种数控机床防碰撞控制方法，该数控机床防碰撞控制方法包括如下操作步骤：

记录进给轴的机械行程并对应调整正、负机械防撞装置的位置；

将所述机械行程划分区间并记录非正常移动区间的端点坐标；

实时获取所述进给轴在当前的机床坐标并转存；

数控机床断电重启后，先读取所述进给轴前次的机床坐标并转存；

依据所述进给轴前次与当前的机床坐标判断所述进给轴是否回零并控制进给轴转速；

所述进给轴在回零完成后，判断各所述端点坐标设置是否合理并修正。

在对所述机械行程划分区间时，将所述机械行程划分的区间分别为：正向停止区间、正向限速区间、正常移动区间、负向限速区间和负向停止区间。所述正向停止区间、所述正向限速区间、所述负向限速区间和所述负向停止区间为所述非正常移动区间。

其中，所述正向停止区间和所述负向停止区间是所述进给轴从快移速度至停止的缓冲区，所述正常移动区间为不对所述进给轴作速度限制的区间，所述正向限速区间和所述负向限速区间是所述进给轴从手动速度至停止的缓冲区；所述手动速度范围在0-12000mm/min；所述快移速度范围在12000-60000mm/min。

所述正向停止区间和所述负向停止区间的长度不小于所述进给轴的快移速度与数控机床的工作循环周期的乘积。

所述正向停止区间的正向停止区间端点坐标位于自所述正机械防撞装置朝所述负机械防撞装置靠近一个所述正向停止区间长度的位置，所述负向停止区间的负向停止区间端点坐标位于自所述负机械防撞装置朝所述正机械防撞装置靠近一个所述负向停止区间长度的位置。

所述正向限速区间和所述负向限速区间的长度不小于所述进给轴的手动速度与所述快移速度的减速时间常数、伺服时间常数和控制程序循环周期三者和的乘积。

所述正向限速区间的正向限速区间端点坐标位于自所述正机械防撞装置朝所述负机械防撞装置靠近一个所述正向停止区间和一个所述正向限速区间长度和的位置，所述负向限速区间的负向限速区间端点坐标位于自所述负机械防撞装置朝所述正机械防撞装置靠近一个所述负向停止区间和一个所述负向限速区间长度和的位置。

判断所述进给轴是否回零时，依据所述进给轴前次与当前的机床坐标的代数和与所述端点坐标比较，来判断所述进给轴当前的位置，所述进给轴当前的位置可以是处于所述正向停止区间、所述正向限速区间、所述正常移动区间、所述负向限速区间或所述负向停止区间。

其中，当判断所述进给轴处于所述正常移动区间时，对所述进给轴不作速度限制；

所述进给轴处于所述正向限速区间或所述负向限速区间时，控制所述进给轴转速降低；

所述进给轴处于所述正向停止区间或所述停止限速区间时，控制所述进给轴换向转动。

在本申请实施方案中，所述进给轴的机械行程、所述端点坐标以及实时获取的所述进给轴的机床坐标均转存在断电保持存储器中；其中，所述进给轴的机械行程记录转存在所述断电保持存储器中，所述正向停止区间与所述负向停止区间端点坐标记录转存在所述断电保持存储器中，所述正向限速区间与所述负向限速区间端点坐标记录转存在所述断电保持存储器中，所述实时获取的所述进给轴的机床坐标转存在所述断电保持存储器中，并在所述数控机床断电重启后转存在所述断电保持存储器中。

所述进给轴回零完成后，对所述进给轴不作速度限制，所述断电保持存储器中内容清零，判断各所述端点坐标设置是否合理，当判断所述端点坐标设置不合理时，对存储在所述断电保持存储器中的所述端点坐标的数值覆盖修正并给出提示性报警。

第二方面，提供了一种数控机床，该数控机床包括：进给轴、断电保持存储器、控制装置以及正、负机械防撞装置。

其中，所述断电保持存储器用于记录所述进给轴的机械行程并将所述机械行程划分区间且记录非正常移动区间的端点坐标，并实时获取所述进给轴在当前的机床坐标并转存，且在数控机床断电重启后，先读取所述进给轴前次的机床坐标并转存；

所述正、负机械防撞装置根据记录在所述断电保持存储器中的所述进给轴的机械行程对应调整位置；

所述进给轴驱动移动部件在所述正、负机械防撞装置间往返运动；

所述控制装置依据所述进给轴前次与当前的机床坐标判断所述进给轴是否回零并控制所述进给轴的转速，且在所述进给轴回零完成后，判断各所述端点坐标设置是否合理并修正。

在一个具体的实施方案中，还包括驱动装置，所述驱动装置为伺服电机，所述伺服电机的输出轴与所述进给轴同轴固连。所述控制装置具体可以是PLC可编程控制器或单片机，所述控制装置通过控制所述驱动装置控制所述进给轴的转速。所述正、负机械防撞装置具体为防撞块，用于对所述移动部件进行限位。

在一个其他的实施方案中，还包括报警装置；所述控制装置在所述进给轴靠近所述正、负机械防撞装置时控制所述进给轴降速并控制所述报警装置报警。所述报警装置具体可以是声光报警器。

为了避免采用增量式位置检测装置的数控机床因数控机床限位保护功能失效、行程开关故障而发生撞机事故，划分进给轴的机械行程为正常移动区间、正、负向限速区间和正、负向停止区间，实时获取并记录进给轴当前机床坐标，计算判断进给轴当前位置所处区间，如果判断进给轴当前位置处于限速或停止区间，不论数控机床的限位功能是否生效，数控机床参数设置是否合理，且无需行程开关，就可以通过控制伺服电机实现控制进给轴减速或停止，避免发生撞机，起到保护作用。

附图说明

图1为本申请实施例提供的数控机床防碰撞控制方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的机械行程划分区间的示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。

为了方便理解本申请实施例提供的数控机床防碰撞控制方法，用以改善数控机床重新上电后限位保护失效的问题。

本申请提供了一种数控机床防碰撞控制方法，如图1所示，该数控机床防碰撞控制方法包括如下操作步骤：

步骤001，记录进给轴的机械行程并对应调整正、负机械防撞装置的位置；

步骤002，将机械行程划分区间并记录非正常移动区间的端点坐标；

步骤003，实时获取进给轴在当前的机床坐标并转存；

步骤004，数控机床断电重启后，先读取进给轴前次的机床坐标并转存；

步骤005，依据进给轴前次与当前的机床坐标判断进给轴是否回零并控制进给轴转速；

步骤006，进给轴在回零完成后，判断端点坐标设置是否合理并修正。

记录进给轴的机械行程后，采用增量式位置检测装置对数控机床装配调试时，根据进给轴的机械行程及回零方向，调整回零开关及正、负机械防撞装置(即挡块)位置，保证移动部件的回零开关被挡块压下再脱离后，移动不超过一个所用丝杆(指进给轴)的螺距就可以接收到伺服电机增量式编码反馈回来的单圈零位信号。

在对机械行程划分区间时，如图2所示，将机械行程划分的区间分别为：正向停止区间1、正向限速区间2、正常移动区间3、负向限速区间4和负向停止区间5。正向停止区间1、正向限速区间2、负向限速区间4和负向停止区间5为非正常移动区间。

其中，正向停止区间1和负向停止区间5是进给轴从快移速度至停止的缓冲区，正常移动区间3为不对进给轴作速度限制的区间，正向限速区间2和负向限速区间4是进给轴从手动速度至停止的缓冲区；手动速度范围在0-12000mm/min，快移速度范围在12000-60000mm/min。

正向停止区间1和负向停止区间5的长度不小于进给轴的快移速度与数控机床的工作循环周期的乘积。当前数控机床的进给轴的快移速度一般在60000mm/min以下，数控机床的工作循环周期一般在8ms以内。

正向停止区间1的正向停止区间端点6坐标位于自正机械防撞装置朝负机械防撞装置靠近一个正向停止区间长度的位置，负向停止区间5的负向停止区间端点7坐标位于自负机械防撞装置朝正机械防撞装置靠近一个负向停止区间长度的位置。

正向限速区间2和负向限速区间4的长度不小于进给轴的手动速度与快移速度的减速时间常数、伺服时间常数和控制程序循环周期三者和的乘积。当前数控机床的进给轴的手动速度一般在12000mm/min以下，快移速度的减速时间常数一般在150ms以内，伺服时间常数一般在30ms以内，控制程序循环周期一般在20ms以内。

正向限速区间2的正向限速区间端点8坐标位于自正机械防撞装置朝负机械防撞装置靠近一个正向停止区间和一个正向限速区间长度和的位置，负向限速区间4的负向限速区间端点9坐标位于自负机械防撞装置朝正机械防撞装置靠近一个负向停止区间和一个负向限速区间长度和的位置。

在本申请实施方案中，进给轴的机械行程、各端点坐标以及实时获取的进给轴的机床坐标均存储在断电保持存储器中。进给轴的机械行程记录在断电保持存储器中，正、负向停止区间端点坐标记录在断电保持存储器中，正、负向限速区间端点坐标记录在断电保持存储器中，实时获取的进给轴的机床坐标记录在断电保持存储器中。

判断进给轴是否回零时，依据进给轴前次与当前的机床坐标的代数和与端点坐标比较，来判断进给轴当前的位置，进给轴当前的位置可以是处于正向停止区间、正向限速区间、正常移动区间、负向限速区间或负向停止区间。

具体来说，当数控机床断电重启后，先读取进给轴前次的机床坐标并转存到断电保持存储器中。当检测机床回零完成信号，且在回零操作完成前，数控装置的限位功能还未生效，此时只允许手动模式(包括回零操作)运行，计算进给轴前次的机床坐标与当前的机床坐标代数和后，再转存到断电保持存储器中，并与正、负限速区间的端点坐标和正、负停止区间的端点坐标相比较，判断当前位置是正向停止区间、正向限速区间、正常移动区间、负向限速区间亦或是负向停止区间。

判断进给轴当前位置时：当判断进给轴处于正常移动区间时，对进给轴不作速度限制；进给轴处于正向限速区间或负向限速区间时，进给轴转速降低，立即快速限速至12000mm/min，即降至手动速度，同时还可以给出提示性报警；进给轴处于正向停止区间或停止限速区间时，进给轴换向转动，以手动速度远离机械防撞装置，同时还可以给出提示性报警。

进给轴在回零完成后，判断端点坐标设置是否合理，具体为：进给轴回零完成后，对进给轴不作速度限制，断电保持存储器中内容被清零。判断各端点坐标设置是否合理，当判断端点坐标设置不合理时，对存储在断电保持存储器中的端点坐标的数值覆盖修正并给出提示性报警。

另外，本申请提供了一种数控机床，该数控机床包括：进给轴、断电保持存储器、控制装置以及正、负机械防撞装置。

其中，断电保持存储器用于记录进给轴的机械行程并将机械行程划分区间且记录非正常移动区间的端点坐标，并实时获取进给轴在当前的机床坐标并存储，且在数控机床断电重启后，先读取进给轴前次的机床坐标并转存。正、负机械防撞装置根据记录在断电保持存储器中的进给轴的机械行程对应调整位置。进给轴驱动移动部件在正、负机械防撞装置间往返运动。控制装置依据进给轴前次与当前的机床坐标判断进给轴是否回零并控制进给轴的转速，且在进给轴回零完成后，判断端点坐标设置是否合理并修正。

在一个具体的实施方案中，还包括驱动装置，驱动装置为伺服电机，伺服电机的输出轴与进给轴同轴固连。控制装置具体可以是PLC可编程控制器或单片机，控制装置通过控制驱动装置实现控制进给轴的转速。正、负机械防撞装置具体为挡块，用于对移动部件进行限位。

在一个其他的实施方案中，还包括报警装置；控制装置在移动部件靠近正、负机械防撞装置时控制进给轴降速并控制报警装置报警，控制装置具体通过控制驱动装置实现控制进给轴的转速。报警装置具体可以是声光报警器。

为了避免采用增量式位置检测装置的数控机床因数控机床限位保护功能失效、行程开关故障而发生碰撞事故，划分进给轴的机械行程为正常移动区间、正、负向限速区间和正、负向停止区间，实时获取并记录进给轴当前的机床坐标，计算判断进给轴当前位置所处区间，如果判断进给轴当前位置处于限速或停止区间，不论数控机床的限位功能是否生效，数控机床参数设置是否合理，且无需行程开关，就可以通过控制伺服电机实现控制进给轴减速或停止，避免发生撞机，起到保护作用。

通过上述描述不难发现，本申请提供的数控机床，可以避免因数控机床限位保护功能失效、行程开关故障而发生撞机事故，因而能够提高数控机床的精度保持性，降低数控机床的故障率。

同时，本申请提供的数控机床，可以取消行程开关，依靠数控机床控制装置的智能运算和提前干预来防止碰撞发生，既提高可靠性又降低成本。

范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种数控机床防碰撞控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

记录进给轴的机械行程并对应调整正、负机械防撞装置的位置；

将所述机械行程划分区间并记录非正常移动区间的端点坐标；

实时获取所述进给轴在当前的机床坐标并转存；

数控机床断电重启后，先读取所述进给轴前次的机床坐标并转存；

依据所述进给轴前次与当前的机床坐标判断所述进给轴是否回零并控制所述进给轴转速；

所述进给轴在回零完成后，判断各所述端点坐标设置是否合理并修正。

2.根据权利要求1所述的数控机床防碰撞控制方法，其特征在于，所述机械行程划分的区间分别为：正向停止区间、正向限速区间、正常移动区间、负向限速区间和负向停止区间；

所述正向停止区间和所述负向停止区间是所述进给轴从快移速度至停止的缓冲区，所述正常移动区间为不对所述进给轴作速度限制的区间，所述正向限速区间和所述负向限速区间是所述进给轴从手动速度至停止的缓冲区；

所述手动速度范围在0-12000mm/min，所述快移速度范围在12000-60000mm/min。

3.根据权利要求2所述的数控机床防碰撞控制方法，其特征在于，所述正向停止区间和所述负向停止区间的长度不小于所述进给轴的快移速度与数控机床的工作循环周期的乘积。

4.根据权利要求3所述的数控机床防碰撞控制方法，其特征在于，所述正向停止区间的正向停止区间端点坐标位于自所述正机械防撞装置朝所述负机械防撞装置靠近一个所述正向停止区间长度的位置，所述负向停止区间的负向停止区间端点坐标位于自所述负机械防撞装置朝所述正机械防撞装置靠近一个所述负向停止区间长度的位置。

5.根据权利要求4所述的数控机床防碰撞控制方法，其特征在于，所述正向限速区间和所述负向限速区间的长度不小于所述进给轴的手动速度与所述快移速度的减速时间常数、伺服时间常数和控制程序循环周期三者和的乘积。

6.根据权利要求5所述的数控机床防碰撞控制方法，其特征在于，所述正向限速区间的正向限速区间端点坐标位于自所述正机械防撞装置朝所述负机械防撞装置靠近一个所述正向停止区间和一个所述正向限速区间长度和的位置，所述负向限速区间的负向限速区间端点坐标位于自所述负机械防撞装置朝所述正机械防撞装置靠近一个所述负向停止区间和一个所述负向限速区间长度和的位置。

7.根据权利要求6所述的数控机床防碰撞控制方法，其特征在于，判断所述进给轴是否回零时，依据所述进给轴前次与当前的机床坐标的代数和与所述端点坐标比较，来判断所述进给轴当前的位置，所述进给轴当前的位置处于所述正向停止区间、所述正向限速区间、所述正常移动区间、所述负向限速区间或所述负向停止区间。

8.根据权利要求7所述的数控机床防碰撞控制方法，其特征在于，当判断所述进给轴处于所述正常移动区间时，对所述进给轴不作速度限制；

所述进给轴处于所述正向限速区间或所述负向限速区间时，控制所述进给轴转速降低；

所述进给轴处于所述正向停止区间或所述负向停止区间时，控制所述进给轴换向转动。

9.根据权利要求8所述的数控机床防碰撞控制方法，其特征在于，所述进给轴的机械行程、所述端点坐标以及实时获取的所述进给轴的机床坐标均转存在断电保持存储器中；其中，

所述进给轴的机械行程记录转存在所述断电保持存储器中，所述正向停止区间与所述负向停止区间端点坐标记录转存在所述断电保持存储器中，所述正向限速区间与所述负向限速区间端点坐标记录转存在所述断电保持存储器中，所述实时获取的所述进给轴的机床坐标转存在所述断电保持存储器中，并在所述数控机床断电重启后转存在所述断电保持存储器中。

10.根据权利要求9所述的数控机床防碰撞控制方法，其特征在于，所述进给轴回零完成后，对所述进给轴不作速度限制，所述断电保持存储器中内容清零，判断各所述端点坐标设置是否合理，当判断所述端点坐标设置不合理时，对存储在所述断电保持存储器中的所述端点坐标的数值覆盖修正并给出提示性报警。

11.一种数控机床，其特征在于，包括：进给轴、断电保持存储器、控制装置以及正、负机械防撞装置；其中，

所述断电保持存储器用于记录所述进给轴的机械行程并将所述机械行程划分区间且记录非正常移动区间的端点坐标，并实时获取所述进给轴在当前的机床坐标并转存，且在数控机床断电重启后，先读取所述进给轴前次的机床坐标并转存；

所述正、负机械防撞装置根据记录在所述断电保持存储器中的所述进给轴的机械行程对应调整位置；

所述进给轴驱动移动部件在所述正、负机械防撞装置间往返运动；

所述控制装置依据所述进给轴前次与当前的机床坐标判断所述进给轴是否回零并控制所述进给轴的转速，且在所述进给轴回零完成后，判断各所述端点坐标设置是否合理并修正。

12.根据权利要求11所述的数控机床，其特征在于，所述控制装置为伺服电机，所述伺服电机的输出轴与所述进给轴同轴固连。

13.根据权利要求11或12所述的数控机床，其特征在于，还包括报警装置；

所述控制装置在所述移动部件靠近所述正、负机械防撞装置时控制所述进给轴降速并控制所述报警装置报警。