基于西门子840D数控系统的防碰撞技术研究.pdf

基于西门子 8 4 0 D数控系统的防碰撞技术研究 许 玮 张为民 金致富 (同济大学机械工程学院，上海 2 0 1 8 0 4；同济大学中德学院，上海 2 0 0 0 9 2)摘要：介绍了基于层次包围盒的碰撞检测算法以及西门子 S I N UME R I C 8 4 0 D的保护区设定指令，并在此 基础上通过一个镗孔加工实例实现了 S I N U ME R I C 8 4 0 D 的保护区功能应用。关键词：数控机床防碰撞层次包围盒西门子 S I NU ME R I C 8 4 0 D保护区 An t i-Co l l i s i o n T e c h n o l o g y Re s e a r c h Ba s e d o n Si e me n s 8 4 0 D CNC Sy s t e m XU W e i。ZHANG We i mi n，J I N Z h i f u ()C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g，T o n i U n i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4，C HN；()S i n o-G e r m a n C o l l e g e，T o n i U n i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2，C HN)Ab s t r a c t：Th i s p a p e r i n t r o d u c e s c o l l i s i o n d e t e c t i o n a l g o rit h m b a s e d o n h i e r a r c h i c a l b o u nd i n g b o x a n d S i e me n s S I N U ME R I C 8 4 0 D p r o t e c t i o n z o n e s s e t t i n g c o mm a n d，a i m e d t o a p r o j e c t e x a m p l e o f b o r i n g h o l e，t h e f u n c t i o n o f p r o t e c t i o n z o ne s i n S I NUMERI C 8 40D i s s h o wn a n d r e s e a r c he d Ke ywo r ds：CNC Ma c h i n e To o l；An t i-c o l l i s i o n；Hi e r a r c hi c a l Bo u n d i n g Bo x；S i e me ns S I NUMERI C 8 4 0D；P r o t e c t i o n Zo n e s 当前很多的数控机床切削速度高，切削路径复杂，在实际工作中要想使机床操作人员预测机床发生碰撞 的可能性，并在紧急状态下立即关 闭开关和切断电源 几乎是不可能的 。数控加工机床的刀具及 主轴、刀 架在运行过程中一旦发生意外碰撞，会造成机床设备 损坏和停产，因此开发基于数控系统的防碰撞功能势 在必行。本文主要介绍了基于层次包围盒的碰撞检测 算法并通过工程实例 中的镗孔工艺实现了西 门子 S I N U ME R I C 8 4 0 D的防碰撞保护区功能的应用。1 碰撞检测算法简介 1 1 三维空间碰撞检测 问题综述 三维空间碰撞检测按照物体干涉的类型可以分为 静态干涉检测和动态碰撞检测。(1)静态干涉检测是指物体在空间中的位置不随 时间变化而变化，判别是 否有任何一对物体 占有公共 空间。静态干涉检测算法按照物体建模方法的不同可 以分为两类，一类是基于 B r e p 模型的空间分解法，另 一类是以层次模型为基础的层次包围盒法 J。(2)动态干涉检测是指物体在空间的位置随着 时 间的变化而变化，它是检查沿特定轨迹移动的物体 的 碰撞干涉情况。一般可分为离散碰撞检测和连续碰撞 检测。离散碰撞检测的实质就是仍是在若干个离散时 间点采用静态干涉检测算法进行碰撞检测，但存在漏 检等缺点。而连续碰撞检测算法解决了离散检测算法 的缺点，但也存在计算量大、系统实时性差的缺点。1 2 基于层次包围盒的碰撞检测算法 包围盒技术的基本思想是利用一个简单的几何形 体将待检验的具有复杂外形 的物体包 围，当进行碰撞 检测时，首先检测这两个物体的包围盒是否相交，若相 交，便进一步对物体进行详细的碰撞测试，若不相交，则说明两物体无碰撞干涉。常用 的包 围盒 的类 型包括：沿 坐标 轴 的包 围盒 A A B B(a x i s a l i g n e d b o u n d i n g b o x e s)、包 围 球(s p h e r e s)、方 向包 围盒 O B B(o r i e n t e d b o u n d i n g b o x)等，如图 1 所示。沿坐标轴的包围盒 A A B B，是 包含几何对象且各 边平行于坐标轴 的最小六面体。对 于给定 两物体 A 和 B的 A A B B包围盒碰撞检测方法非常简单，只需要 计算出物体 A和 B的点集合 中在、y、z方 向上的最 大值和最小值，而A和 B的碰撞可表示为两物体在3 个坐标面上 的投影均重合，因此仅需要通过 6次 比较 国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(编号：2 0 0 9 Z X 0 4 0 0 1-0 7 2 0 2)；国家 8 6 3计划重点项 目(编号：2 0 0 7 A A 0 4 2 0 0 2)基金资助 蒂森克虏伯基金 33 设计与研究 D e s ig n a n d R e s e a rc h 计算便可以得到碰撞测试结果。但是 A A B B检测算法 存在着不足，特别是当物体处于与 3个坐标轴 均有偏 角时，包围盒的冗余空间就会增加，从而导致算法的效 率降低。西门子 S I N U ME R I C 8 4 0 D中的保护区功能实 际上就是基于层次包围盒算法中 A A B B包围盒的相关 理论而建立的，通过数控系统提供的高级编程语句，在、y、z三个方向上设定最大和最小的约束值，便可确 定沿坐标轴方向的包围盒并作为碰撞检测的依据。AA B B包围盒 球状包围盒 OB B 包围盒 图1 包围盒类 型 包围球与 A A B B包 围盒法相类似，它被定义为包 围对象的最小球体。当利用包 围球进行碰撞检测时，先计算两物体 A和 B的点集合在、l，、z方向上 的最 大值和最小值，由此计算出包 围球球心 的位置 C，再通 过计算球心到 6个极值点 的距离确定包 围球 的半 径。这样便得 到两个物体 的包 围球(C 1，R 1)和(C 2，R 2)，通过判断两 圆心问的距离是否大于两球体 的半 径之和，即 l C 1 一 C 2 I 和 R1+R 2的大小，便可得到碰撞 检测的结果。包围球构造简单，不受物体转动的影响，可以准确判断碰撞，适用于物体频繁旋转的场合，但是 它的紧密性较差，和 A A B B相似，随着冗余空 问的增 加，算法效率会受到较大影响。方 向包围盒 O B B被定义 为包含几何对象且相对 于坐标轴方向任意的最小长方体。方 向包围盒的关键 在于寻找最佳方向，使得包 围盒的尺寸最小。O B B包 围盒碰撞检测是基于分离轴理论。一对 O B B包 围盒 之间共存在 1 5条分离轴，检测 时只要判断这 1 5条轴 中是否存在这样一根轴，使得一对 O B B包围盒沿该轴 的投影不重叠，若存在则可判断未发生碰撞，否则有可 能发生了碰撞干涉，需做进一步细化检测。方向包围 盒相对于 A A B B包围盒紧密性好，可以成倍地减少进 行相交测试的包围盒数 目和基本几何元素 的数 目，提 高了算法的效率，目前在刚体碰撞检测中应用十分广 泛。2西 门子 S I N UME R I C 8 4 0 D 数 控 系统碰 撞 保护区设置 2 1 西门子 S I N UME R I C 8 4 0 D数控系统简介 3 4 S I N U ME R I C 8 4 0 D是西 门子公司 2 0世纪 9 0年代 推出的高性能数控系统，可进行各种复杂 的加工。它 保持 了与前几代系统 同样的结构，通过建立在综合的 系统平 台上，由数 控 及驱 动单元(N C U)、人机 通信(MMC)、可编程逻辑控制器(P L C)三部分组成。相比 前几代系统，8 4 0 D具有数字化驱动、轴控规模大、可实 现五轴联动和碰撞监控等功能。2 2 S I NU ME R I C 8 4 0 D保护区指令 2 2 1 保护区的确定 利用图2所示的保护 区，可 以保护机床上各个不 同的部件、夹具 以及工件，防止误动作。图2 机床保护 区示例(1)与刀具有关的保护 区：用于属 于刀具 的零件(例如刀具，刀架)。(2)与工件有关的保护 区：用于属于工件 的零件(例如工件的零件，装夹台，夹爪，主轴卡盘，尾架)。定义保护区的编程指令有：表 1 保护 区指 令和参数含义 定义局部变量、整数 数据类 型(可 比较运 动 D E F I N T N O TU S E D 同步动作一章)定义通道特有 的保护 区(仅用 于 N C U 5 7 2 C P R 0 T D E F 5 7 3)N P R 0 T D E F 定义机床特有的保护区 E XE C U T E 结束定义 定 义的保护区序 号 T R U E：与刀具有关的保 护区，F A L S E=与 t 工件有关的保护区 第 3个 尺 寸的限制方式，0=没有 限制，1=a p p l i m 在正方向限制，2=在负方向限制，3=在正 负方向限制 a p p l u s 第 3个尺寸在 正方向限制的值 a p p mmu s 第 3个尺 寸在负方向限制的值 N 0 T U S E D 在有 E X E C U T E的保护区中故障变量无效 樊ZU IU 等 1；l (1)D EF I N T NO T _ US E D(2)C P R O T D E F(n，t，a p p l i m，a p p l u s，a p p mi n u s)(3)N P R O T D E F(n，t，a p p l i m，a p p l u s，a p p m i n u s)(4)E X E C U T E(N O T U S E D)保护区指令和参数的含义如表 1所示。工件相关的保护区在基准坐标系中定义。刀具相 关的保护区以刀架基准点 F为参考设定。在 C P R O T D E F或者 N P R O T D E F和 E X E C U T E之间 的运动不被 执行，而是定义保护区。2 2 2 激活、解除保护 区 激活、预先激活预先定义好的保护 区来进行碰撞 监控，或者解除激活的 护区。同时在一个通道 中有 效的保护区的最大数量通过机床数据确定。如果没有 刀具相关的保护区有效，则按照工件相关的保护 区对 刀具轨迹进行检查。激活、解除保护区的编程指令有：(1)C P R O T(n，状态，x Mo v，y M o v，z Mo v)(2)N P R O T(11，状态，x Mo v，y Mo v，z M o v)激活和解除保护 区指令 和参 数的含义如表 2所 示 表 2 激活和解除保护区指令和 参数 含义 调 用通 道 专 用保 护 区(仅 用 于 N C U 5 7 2 C P R 0 T 5 7 3)NP R 0 T 调用机床专用保护区 保护区序号 状态参数说明，0=取 消保护 区，J=预激活保 状态 护区，2=激活保 护区 x Mo v，y M o v，z Mo v 偏移几何轴 中已经定义的保护区 某个保护区同时可以在多个通道 中(例如两个相 对滑板的顶尖套筒)，只有 当所有 的几何轴都 回参 考 点之后，才可以监控保护区。3 镗孑 L 加工中碰撞保护区设计 3 1 镗子 L 加工碰撞可能性分析 在卧式加工中心上进行 镗孔时，镗杆必须深入到 工件内部进行作业，如果操作者错误操作复位了该程 序，在按下启动键后数控系统便会重新开始执行程序，那 么此时刀具和工件就有可能会发生碰撞，导致孔的 内壁被刮伤或断刀的事故。即使操作人员多么小心谨 慎，仍会发生很多的加工事故，因此，尽可能增加一些 保护措施，保障机床和人身安全是很必要的。3 2 镗子 L 加工中保护区的确定 假设所要加工的孔 的轴线为 y=1 0 0 m m，Z=1 0 0 m m，孔的半径为 1 0 mm，那么可以做以下定义_ 6 J：U 1 1 u1年 D g n a n d R e a C h 设计与研究 设置机床参数 MD 2 8 2 0 0$MCMMNUMP R OT E C TARE A CHAN=5：MD 2 8 2 1 0$MC MM NUM P ROT E C T AR E A AC TI VE=5；保护区定义及激活程序：D E F I N T A B；定义一个临时变量 G 1 9 ；选择定义的平面 C P R O T(1，0)；取消原保护区 1 G0 O Y1 0 0 Z1 00 X5 0 0 C P R O T D E F(1，0，0，0，0)；开始定义保护区 1 COl Y11 0 Z1 0 0 G 0 2 Y 9 0 Z1 0 0 J 一1 0 G 0 2 Y1 1 0 Z1 0 0 j l O E X E C U T E(A B)；结束保护区 1的定义 C P R O T(1，2，0，0，0)；激活保护区 1 M3 0 至此，镗孔保护区的定义就结束了，在数控系统中 可以看到定义的保护区效果如图 3所示。图3 定义保护区的人机界面 图4 保护区y 方向测试效果 3 3保护 区效果 执 行完以上的保护区定义程序后，引导各轴 回参 35 设计与研究 D e s ig n a n d R e s e a rc h 一步法冷旋压机主机运动与受力分析 姜桂荣 李大龙 钱志平 吕 玫 郭长虹(燕 山大学机械学院，河北 秦皇岛 0 6 6 0 0 4)摘要：分析了 F WX 2 0一步法无胎冷旋压机主机运动和受力状态，进行现场旋压工况实际测试对比，寻找 出受力关键部位的应力参数值和变形量，为今后整机的系列改进设计提供重要参考依据。关键词：机架成形辊旋压辊旋压力驱动力 中图分类号：T G3 8 6 An a l y s i s o f B e a r i n g F o r c e a n d Me a s u r e me n t f o r Th e F r a me o f A F W X 2。0 Co l d Ro t a t o r y P r e s s u r e Ma c h i n e J I A N G G u i r o n g，L I D a l o n g，Q I A N Z h i p i n g，L V Me i，G U O C h a n g h o n g (Me c h a n i c a l C o l l e g e，Y a n s h a n U n i v e r s i t y，Q i n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4，C H N)Abs t r a c t：Th e b e a rin g f o r c e s i t u a t i o n o f t h e fla me o f a F W X2 0 n e w t y p e o f n o mo l d c o l d r o t a t o r y p r e s s u r e ma c h i n e wa s a n a l y s e d；Th e s i t e me a s u r e me n t o f t h e r o t a t o r y pr e s s u r e c a s e wa s c a r r i e d o u t；Th e s t r e s s v a l u e s o f c rit i c a l p o i n t s a nd t h e s t r a i n q u a n t i t y o f t h e fla me we r e d e t e r mi n e dAl l o f t h e s e wi l l b e c o n f e r e n c e f o r f u r t h e r i mp r o v e me n t a n d c ha n g i ng mo d e l o f t h e ma c h i n e Ke y wo r ds：F r a me wo r k；Mo l d Ro l l；Ro t a t o r y Ro l l；Ro t a t o ry F o r c e；Dr i v i n g F o r c e 国家重点工业性试验项 目大型容器封头 F WX 2 0 一步法无胎冷旋压机主机主要特点是集板坯于一台机 器的一次装卡中，运用了连续局部成形法 旋制出 所期望的容器封头，如图 1 a 所示。这种设计理念是在 考点，保护区便开始生效，此时保护区的形状是 以 y=1 0 0 I n n l，z=1 0 0 mm为轴线，半径为 1 0 m m 的一个 圆 柱体。图4、图 5为保护区生效后在 l，方 向和 z方 向 的测试结果。图5 保护区z方向测试效果 4 结语 本文介绍 了层次包 围盒碰撞检测算法 的相关原 理，利用该理论结合西门子 S I N U ME R I C 8 4 0 D数控系 3 6 统的保护区功能，针对镗孑 L 加工工艺进行 了防碰撞技 术研究与测试，获得了较为满意的效果，验证了该功能 的有效性。本文采用的防碰撞技术在机床工业研究中 具有广泛的应用范围和通用性，对进一步提高数控机 床的加工效率具有重要的研究意义。参考文献 1 A l e x a n d e r S t r u t z k e 集 成防碰 撞保 护 的控制 系统 J 现代制 造，2 0 0 8(1 6)2 赵瑾数控加工仿真中的碰撞 干涉检查 与精 度验证 D 南 京：南 京航空航天大学，2 0 0 5 3 申玉斌，蔡 勇，华才健虚拟环 境中的碰撞 检测技术 的研究与应 用 J 交通与计算机，2 0 0 5，2 3(1)4 1 S I NU ME R I K 8 1 0 D 8 4 0 D P r o g r a mm i n g F u n d a m e n t a l，0 3 2 0 0 4 5 S I NU M E R I K 8 1 0 D 8 4 0 D P r o g r a mm i n g A d v a n c e d，1 0 2 0 0 4 6 保护区使用例 h t t p：c n c s h a r e c o m w p c o n t e n t u p l o a d s 2 0 0 9 0 9 p r o t e c t z o n e _ 2 pd f，2 0 0 9 0 9 0 9 第一作者：许玮，男，1 9 8 6年 生，硕士研 究生，研 究 方 向：机械 制造及 其 自动化。(编辑 周富荣)(收稿日 期：2 0 1 0 0 5 0 7)文章编号：l O l l o 9 如果您想发表对本文的看法，请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。等