心轴碰撞“危险区”


日期:2017/11/21 来源:MM《现代制造》

心轴碰撞是工厂的一个噩梦。后果是灾难性的,代价也非常高,一般包括心轴和刀具损坏、零件损坏、锁模系统损坏、甚至机床铸件破碎。心轴损坏的损失非常大,修复起来也很复杂。机床需要停工数日,生产计划被延误,造成收入的损失。仅一次心轴碰撞就会造成工厂承受50 000美元以上的维修和生产损失。即便采用最好的程序员和操作人员,心轴碰撞也不可避免。幸运的是,工厂可以利用心轴保护系统减小碰撞发生概率。

图1 磁力防撞系统是一种独立的机械保护装置,心轴壳体内有磁体,在碰撞后将机床分离,并使其“回弹”至正常位置

碰撞原因和影响

心轴碰撞的两个主要原因是编程错误和设置错误。针对编程问题,防止发生碰撞的最简单的方式是通过CNC验证系统运行程序,该系统可以在程序发送至控制器之前完整模拟零件和机床之间的互动,可以防止大部分碰撞情况。

然而,操作人员可能在无意中将夹紧系统放置在错误的位置或误用刀具、刀夹和换刀装置。软件验证系统无法检测到此类设置错误,所以工厂应该关注加工计划和机床设置规范,这一点非常重要。

除了加工之前的计算错误以外,不可预见的刀具问题(如铣刀损坏)也会导致碰撞。在此类情况下,防撞系统是阻止机床发生严重损坏的唯一方法。

目前市场上有大量心轴防撞系统,各有各的优势和劣势。这些系统有的利用电机电流监控,有的采用铝制衬套,有的采用磁技术。然而,应该注意的是,有些防撞系统(包括采用磁技术的类型)无法改装为现有机床所用,所以在购买新机床时应确定采用哪种类型的系统。

心轴保护系统最有利于多轴加工操作和重型切削应用,以及采用多个控制器运行多个机床的工厂。在多轴加工条件下,多个方向同时运动使机床很容易发生碰撞。重型切削操作的扭矩水平较高,若发生碰撞,心轴可能承受的力高达10 t。利用不同控制器运行多个机床的工厂发生人为失误的风险较大,也会增加心轴碰撞几率。

采取方案

在三种主要的系统类型中,电机电流监控是最基本的心轴防撞形式。传感器会检测到电机是否吸引过多电流,然后将信息传递给机床控制器,机床控制器会停止机床活动。这一过程耗时不到5 ms,但即使这样机床还是容易发生意外。在机床停下来时,损害可能已经发生了,主要针对心轴轴承、伺服电机、刀具和工件。应该注意的是,电流监控系统在设计上主要为了防止电机发生电流超负荷,防止机床铸件造成重大损坏,而不是防止心轴发生碰撞。

采用铝制衬套的防撞系统将铝制衬套布置在用于将机床心轴固定在Z轴上的螺丝周围。若发生碰撞,衬套破碎,保护心轴轴承。不过这种类型的系统仅能在Z轴运行时保护心轴,无法在X轴或Y轴发生碰撞时提供保护。

虽然铝制衬套类型系统可以在Z轴发生碰撞时保护心轴,但机床仍需要经过大量维护工作才能恢复到巅峰性能水平。为此,工厂需要拆除心轴,更换所有破碎的铝制衬套,这将耗时至少一天或两天,还是在更换所需的衬套即刻可用的情况下。另外,作为碰撞的后果,机床动力和基准点会完全错位,需要彻底地重新校准机床,保证其符合出厂规范要求。

采用磁技术的系统是最新的一项心轴防撞技术创新。这种系统的与众不同之处在于不仅可以在机床运动的五轴内保护心轴,还可以减少(在大多数情况下消除)任何碰撞后维护或干预的必要,以及防止钝切削刀具磨损工件。

基于磁力防撞系统是一种独立的机械保护装置,在心轴壳体内有磁体。这些磁体在发生碰撞后将机床分离,并使其基本上“回弹”至正常位置。磁体上的传感器将记录运动情况并自动触发机器中断当前操作。这种近乎瞬时的检测模式使碰撞期间心轴承受的力减少90%。虽然系统同样有5 ms的滞后时间,但磁体提供了一定程度的柔韧性,可以在机床停止期间保护心轴和其他机床零件。由于在碰撞后磁体会将心轴复位,消除了手动重新校准心轴或机床的必要。

然而,在装有基于磁力防撞系统的机床发生碰撞后,很可能需要更换刀具和刀夹。建议操作员目视检查心轴是否损坏,并进行几何形状检查,确保机床所有其他部件处于适当位置。在完成这些工作后,操作员只需要更换一个新刀具,机床就可以运行了。整个过程只需几分钟。

当机床以设置或安全模式运行时,这种类型的系统最有效,此时较慢的速度施加的力较小,机床系统有更多的反应时间。由于大多数碰撞是在空运行或设置期间发生的,非常有必要在此类情况下提供有保证的保护措施。

在进料速度较快的情况下,很可能发生一些微型损坏,但通常远远小于没有基于磁力防撞系统的情况下产生的损坏。例如,高速碰撞可能要求更换轴承,而不是整个心轴。尽管基于磁力的系统在速度较慢时效果最佳,但在较大切削负荷下仍应具备最佳性能,且能保护机床和工件免遭刀具破损。

保护机床免于心轴碰撞产生的各种损坏对工厂的盈亏非常重要。虽然工厂也可以采取其他措施降低碰撞几率,但并不是100%有效。工厂可以采用适当的心轴保护系统进一步降低风险。