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刀具和夾具系統(tǒng)或主軸與機(jī)床工作臺(tái)在機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生碰撞，會(huì)對(duì)機(jī)床造成慘重的損失和停產(chǎn)。在加工過(guò)程中，機(jī)床與工件之間在規(guī)定參數(shù)范圍內(nèi)永遠(yuǎn)不應(yīng)該發(fā)生任何碰撞性的接觸。那么，那些大型的控制系統(tǒng)和機(jī)床生產(chǎn)廠商為防止發(fā)生意外的碰撞應(yīng)該采取什么樣的措施呢？

現(xiàn)代機(jī)床切削速度越來(lái)越快，切削路徑也越來(lái)越復(fù)雜，實(shí)際工作中要想使機(jī)床操作人員預(yù)測(cè)機(jī)床發(fā)生碰撞的可能性，并在緊急狀態(tài)下及時(shí)關(guān)閉開(kāi)關(guān)和切斷電源幾乎是不可能的。同時(shí)，操作人員的安全也需要由控制系統(tǒng)來(lái)保證。為此，大部分機(jī)床制造商開(kāi)發(fā)了機(jī)床碰撞保護(hù)系統(tǒng)，并將這種保護(hù)應(yīng)用到在線的CNC控制系統(tǒng)上，或通過(guò)外界脫機(jī)的PC機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，一些在線的保護(hù)可以立即使用，并將其內(nèi)置到大部分的和高規(guī)格CNC控制系統(tǒng)之中。盡管在某種程度上，制造商或多或少地會(huì)采用同樣的思維方式來(lái)解決這些問(wèn)題，但各種方法之間還是存在著本質(zhì)上的區(qū)別。

防碰撞控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確安裝位置應(yīng)該在什么地方？在使用PC機(jī)前，用什么方法來(lái)模擬機(jī)床及其各軸的運(yùn)動(dòng)？還是采用實(shí)時(shí)控制？雖然這兩種方法不一定能提供 99%的保證，但各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于實(shí)時(shí)控制的系統(tǒng)而言，CNC的核心必須配置性能優(yōu)良的計(jì)算功能，按照一般規(guī)律，這意味著需要消耗較高的內(nèi)存。實(shí)時(shí)控制本身就具有很強(qiáng)的通用性，它能夠立即適應(yīng)情況的變化。你不可能經(jīng)常在計(jì)算機(jī)上精確地模擬機(jī)床的現(xiàn)實(shí)模型，或預(yù)測(cè)所有運(yùn)動(dòng)和事件。如果發(fā)生了意想不到的事情，那么必須首先在計(jì)算機(jī)上修改這一模型，以恢復(fù)其碰撞保護(hù)功能。

另一方面，CNC系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制就好像是與機(jī)床的一個(gè)模型一起工作，然后開(kāi)始模擬運(yùn)動(dòng)。其有效性特別體現(xiàn)在防碰撞控制系統(tǒng)能立即啟動(dòng)，使加工停止，這是因?yàn)槠湟呀?jīng)預(yù)測(cè)到碰撞的可能性，換句話(huà)說(shuō)已經(jīng)模擬到發(fā)生碰撞的可能性。因此，實(shí)時(shí)保護(hù)具有與CNC系統(tǒng)中模型數(shù)據(jù)一樣好的功能。這對(duì)于在PC機(jī)上的模擬來(lái)說(shuō)也同樣有效，至少PC機(jī)可以接入精度*的CAM數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)所具有的強(qiáng)大功能。

Fanuc GE公司的30i系列和31i系列控制系統(tǒng)提供3D干擾檢查功能。它采用潛在碰撞物體的幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行工作，操作員將碰撞物體的有關(guān)參數(shù)直接輸入到 CNC系統(tǒng)內(nèi)，并由工廠內(nèi)部開(kāi)發(fā)的軟件支持其工作，將一些有風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域，例如像機(jī)床的工作臺(tái)或夾具系統(tǒng)，采用幾何數(shù)字確定。CAD的數(shù)據(jù)也可讀入到系統(tǒng)之中。按照Fanuc公司的說(shuō)法，幾何圖形元素能夠在模型中以1μm的精度，精確地模擬實(shí)際外形輪廓。Fanuc GE CNC德國(guó)公司的執(zhí)行總裁Leopold Schenk先生解釋說(shuō)：CNC系統(tǒng)能夠?qū)⒖臻g信息和當(dāng)前機(jī)床數(shù)據(jù)考慮在內(nèi)，用以計(jì)算軸的運(yùn)動(dòng)。這也就是說(shuō)，主CPU能夠在4ms時(shí)間內(nèi)計(jì)算出所有在碰撞模型中發(fā)現(xiàn)的物體，這一時(shí)間幾乎與軸的插補(bǔ)時(shí)間相等。如果存在碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，機(jī)床就會(huì)在一個(gè)特殊范圍內(nèi)的零件前停止進(jìn)行最后的插補(bǔ)程序。如碰撞模型太復(fù)雜而不能在4ms內(nèi)完成計(jì)算的話(huà)，F(xiàn)anuc GE公司就會(huì)采用一種升級(jí)戰(zhàn)略：將時(shí)間加倍增加到8ms，并設(shè)置一個(gè)更寬松的包絡(luò)曲線給予補(bǔ)償。Schenk先生向公司做出了這樣的一個(gè)承諾：如果配置正確，那么‘3D干擾檢查’系統(tǒng)就能幫助機(jī)床避免碰撞，其可靠性幾乎達(dá)到了99%。Schenk先生不喜歡采用PC機(jī)的脫機(jī)解決方案，他認(rèn)為這種方法所能提供的可靠性十分有限：脫機(jī)分析*是根據(jù)日常的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定大多數(shù)發(fā)生碰撞的情況，然后進(jìn)行操作設(shè)定，但實(shí)際上很多行為無(wú)法通過(guò)虛擬環(huán)境預(yù)測(cè)。像 ‘3D干擾檢查’這樣的集成系統(tǒng)能夠堵補(bǔ)所有這些影響可靠性的漏洞。它們采用實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可按機(jī)床的現(xiàn)狀連續(xù)調(diào)節(jié)。

Siemens 公司最近正在研究一種在線防碰撞保護(hù)系統(tǒng)，準(zhǔn)備連接并應(yīng)用到Sinumerik CNC控制系統(tǒng)。Siemens公司機(jī)床部經(jīng)理Uwe Haeberer先生這樣說(shuō)：其基本功能已經(jīng)在NC核心系統(tǒng)中得到實(shí)現(xiàn)，并已成功地完成了初步試驗(yàn)。這種新理念已經(jīng)獲得了進(jìn)一步的發(fā)展，而且也開(kāi)始在操作員的接口界面上轉(zhuǎn)換。它應(yīng)該通過(guò)無(wú)縫連接的方式，用PC機(jī)與現(xiàn)有的Siemens脫機(jī)解決方案連接。Haeberer先生承認(rèn)：然而，只有在加工時(shí)，當(dāng)碰撞控制系統(tǒng)在CNC系統(tǒng)上發(fā)生作用的時(shí)候，才能顯示其真正的功能。因此，像夾具裝置的變化等因素應(yīng)特別考慮在內(nèi)。然而，正如我們所看到的那樣，還沒(méi)有一種解決方案適合全面的開(kāi)發(fā)目標(biāo)，在我們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手中，也沒(méi)有一家公司能夠提供真正令人滿(mǎn)意的解決方案。因此，主要的問(wèn)題是為機(jī)床操作員解決更加友好的操作界面問(wèn)題。然而，Siemens公司已經(jīng)做了次嘗試，引進(jìn)刀具數(shù)據(jù)，在這方面目前還沒(méi)有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。按照該公司的說(shuō)法，現(xiàn)在還不清楚操作人員如何將夾具系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入到防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)之中。Haeberer先生補(bǔ)充說(shuō)：我們還不打算銷(xiāo)售防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)，直到我們*弄清楚各部分的功能。如果所需要的數(shù)據(jù)還不*，或者不符合質(zhì)量要求，那么就不可能制造出一個(gè)可靠的防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)。

Heidenhain公司在其i-TCN 530控制系統(tǒng)中安裝了一個(gè)動(dòng)態(tài)防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)（DCM）。這一系統(tǒng)甚至可以在CNC系統(tǒng)上根據(jù)設(shè)置操作運(yùn)行，而且也考慮到了夾具裝置的位置。機(jī)床操作員可以從屏幕上看到所有處于工作區(qū)域的機(jī)床元件。凡是有碰撞風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域可以通過(guò)控制系統(tǒng)顯示確認(rèn)，讓操作員可以在屏幕上將各個(gè)相應(yīng)的元件從碰撞區(qū)移走。屏幕可獨(dú)立地接入Heidenhain系統(tǒng)，因此工作區(qū)可以在一個(gè)窗口顯示，而CNC程序可以在另一個(gè)窗口顯示。如果出現(xiàn)碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)停機(jī)。

Mazak 公司的Matrix控制系統(tǒng)上有兩個(gè)CPU同時(shí)工作，在一個(gè)工件加工的同時(shí)，CPU就開(kāi)始模擬另一個(gè)工件的加工情況。零件是在加工前就開(kāi)始檢查的，因此 Mazak公司的機(jī)床應(yīng)用部經(jīng)理助理Stephan Fabry先生說(shuō)：這可以使操作員順利地運(yùn)行程序，而不會(huì)發(fā)生碰撞現(xiàn)象。卡盤(pán)、刀柄和附件所需的空間都已經(jīng)在控制系統(tǒng)的工作區(qū)標(biāo)明，操作員只需要加入機(jī)床的形狀就可以了。有了這些信息以后，再對(duì)加工的工件進(jìn)行模擬加工試驗(yàn)，看其是否存在潛在的碰撞因素。

IPC上的CNC軟件也采用圖形元素

Beckhoff 公司的控制系統(tǒng)主要由工業(yè)PC機(jī)和軟件組成，而對(duì)于CNC部分來(lái)說(shuō)，Beckhoff公司則提供Twin-Cat的CNC程序。與Fanuc系統(tǒng)相似，這一集成控制系統(tǒng)處理風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，其中包括刀具、夾具以及機(jī)床的其他元件。Beckhoff公司的產(chǎn)品部經(jīng)理Matthias Koester先生解釋說(shuō)：圖形零件的最小距離可以通過(guò)任何CAD程序確定，而且是可以編程的。在內(nèi)部，控制系統(tǒng)采用CAD的VRML Export來(lái)描述零件。在即將發(fā)生碰撞以及出現(xiàn)錯(cuò)誤描述的時(shí)候，也會(huì)創(chuàng)建一個(gè)圖像錯(cuò)誤信息，使操作員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

Bosch Rexroth公司在其MTX控制系統(tǒng)中提供在線碰撞控制功能。Andreas Jenke先生是Bosch Rexroth公司電氣驅(qū)動(dòng)控制業(yè)務(wù)部負(fù)責(zé)機(jī)床工業(yè)管理的經(jīng)理，他支持CNC系統(tǒng)采用雙重控制的模擬方法和內(nèi)置保護(hù)系統(tǒng)，他說(shuō)：防碰撞控制是通過(guò)CNC 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橹挥心抢锊艃?chǔ)存那些與實(shí)際機(jī)床操作相同的相關(guān)數(shù)據(jù)。為了模擬的需要，我們?cè)赑C機(jī)上創(chuàng)建了一個(gè)虛擬CNC系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠像真正的機(jī)床那樣，采用同樣的數(shù)據(jù)或參數(shù)進(jìn)行工作。

當(dāng)CNC數(shù)控系統(tǒng)盡可能精確地上載大量的數(shù)據(jù)，并且當(dāng)程序能夠容易操作的時(shí)候，CNC的防碰撞保護(hù)系統(tǒng)才能發(fā)揮其的功能。現(xiàn)在，復(fù)雜的、快速的、的機(jī)床上都配有質(zhì)量的控制系統(tǒng)，而現(xiàn)在的大部分控制系統(tǒng)都集成了防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)。