1. 引言
隨著(zhù)現代科技不斷地進(jìn)步，數控機床經(jīng)歷了近60年的發(fā)展，目前已占據了制造業(yè)自動(dòng)化設備的主導地位，在發(fā)達國家數控機床的普及率已經(jīng)達到了30%以上，我國的數控設備普及率雖不足5%，但隨著(zhù)制造業(yè)水平和需求的不斷提高，我國對數控機床將會(huì )形成巨大的需求，從2003年起我國已成為全世界最大的數控機床消費國，同時(shí)也是世界最大的數控機床進(jìn)口國。數控機床逐步開(kāi)始在我國制造業(yè)普遍使用，但也有許多企業(yè)近年來(lái)才開(kāi)始接觸和使用數控機床，由于使用經(jīng)驗的欠缺以及操作人員水平的參差不齊，如何正確、高效地使用數控機床，將是擺在我們面前的一個(gè)重要課題。
2. 數控車(chē)床發(fā)生故障主要類(lèi)型
由于數控車(chē)床是按編程人員所編程序指令進(jìn)行自動(dòng)加工的，盡管現在有好多模擬仿真軟件可以檢測程序，但仍會(huì )由于各種原因，造成機床發(fā)生碰撞事故時(shí)有發(fā)生。
（1）系統編程缺陷原因
刀具補償和程序中坐標值輸入時(shí)漏掉小數點(diǎn)或輸錯位置。某些數控系統如FANC系統坐標尺寸數據如無(wú)小數點(diǎn)時(shí)以μm為單位，有小數點(diǎn)以mm為單位，如漏掉小數點(diǎn)或輸錯位置會(huì )使數據錯誤而發(fā)生事故。
對刀時(shí)刀具號輸錯或程序坐標原點(diǎn)設定不對。對刀時(shí)輸錯刀號使實(shí)際的刀具與刀偏值不匹配，加工中數控系統按照錯誤的刀偏數據和工件原點(diǎn)來(lái)計算加工路徑，造成事故發(fā)生。
程序中換刀點(diǎn)設定不對，或編程時(shí)退刀指令輸入錯誤。換刀點(diǎn)設定過(guò)近，調用新刀時(shí)刀盤(pán)旋轉，長(cháng)柄刀具與工件或卡盤(pán)相撞。退刀指令有三種路徑，先X向再Z向退刀，先Z向再X向退刀或X向同時(shí)退刀，退刀指令一般都采取快速移動(dòng)指令，如果刀尖在工件內部或中途存在干涉，退刀中路徑安排錯誤造成工件報廢或發(fā)生碰撞。
切削量、進(jìn)給率、轉速等參數設置過(guò)大或不合理，造成悶車(chē)、扎活、打刀等事故。
（2）機床機械故障
伺服電機出現機械故障，或者由于伺服電機下的接線(xiàn)在操作中被拉斷，伺服電機與滾珠絲杠之間連接銷(xiāo)釘脫落，使電機與拖板之間移動(dòng)不同步，或絲杠中有異物（如切屑等），造成機床兩軸中其中一個(gè)方向不動(dòng)或移動(dòng)緩慢，使機床出現撞車(chē)事故。操作時(shí)應做到及時(shí)調整，注意傳動(dòng)系統發(fā)出的異聲，發(fā)現故障及時(shí)處理，機床導軌及絲杠使用完畢應清理干凈，定時(shí)、定期對車(chē)床油路進(jìn)行檢查，確保油路的通暢。
加工中對切削量、進(jìn)給率等參數進(jìn)行調節后，操作人員未進(jìn)行仔細觀(guān)察調試或離開(kāi)機床，此時(shí)若切削中出現異常情況則無(wú)法及時(shí)處理，造成過(guò)載停車(chē)，甚至損壞刀具、工件或損傷機床。
毛坯尺寸過(guò)大時(shí)未仔細區分，直接加工造成刀具與工件相撞。工件的毛坯有時(shí)會(huì )出現外形尺寸偏差較大或形狀不規則，尤其是一些氣割、鍛壓下料的毛坯可能會(huì )有較大的毛邊，鋸床下料也可能會(huì )過(guò)長(cháng)或端面歪斜，如不區分或加以預先分類(lèi)規整，直接裝夾加工，在切削前的快速定位階段就會(huì )撞上工件或第一次切削時(shí)余量過(guò)大引起悶車(chē)、過(guò)載甚至造成旋轉工件脫落飛出的嚴重后果。
液壓卡盤(pán)使用中壓力調節過(guò)小或卡爪位置調節不當，工件裝夾不牢加工中飛出造成事故。液壓卡盤(pán)卡爪松夾行程較小只有幾毫米，如行程調整不當或遇到個(gè)別毛坯外徑較小時(shí)可能會(huì )造成工件看似夾緊，但實(shí)際上卡爪已到行程極限，工件并未可靠夾緊，切削中造成工間脫落和飛出。
數控車(chē)床在一些特殊情況，需要使用液壓卡爪夾持工裝夾具或手動(dòng)卡盤(pán)，再用工裝或手動(dòng)卡盤(pán)夾持工件，這種形式不僅存在兩級夾持的穩定性問(wèn)題，同時(shí)也存在液壓卡爪夾持力的是否可靠問(wèn)題，未進(jìn)行充分論證和計算情況下應避免使用。
3. 預防和避免碰撞事故措施
（1）安裝和調試階段技術(shù)要求
環(huán)境溫度和濕度要求。數控車(chē)床一般要求使用環(huán)境恒溫，以確保機床的工作精度，一般要求恒溫20攝氏度左右。大量的實(shí)踐證明，夏季高溫時(shí)期，數控系統的故障率大大增加，很易造成碰撞事故的發(fā)生。潮濕的環(huán)境也會(huì )降低數控車(chē)床運行的可靠性，因此應對數控車(chē)床環(huán)境采取去濕措施，以避免電路短路，造成數控系統誤操作，發(fā)生碰撞事故。同時(shí)，還要求數控車(chē)床遠離鍛壓設備等振動(dòng)源，遠離電磁場(chǎng)干擾，遠離電焊機，遠離線(xiàn)切割機床以及電火花機床等電加工機床。
電網(wǎng)和地線(xiàn)的要求。數控系統的電源變壓器和伺服變壓器都有多個(gè)抽頭，外接電源必須正確。另外，還要進(jìn)行電源電壓波動(dòng)范圍的確認，一般數控系統允許電壓的波動(dòng)范圍為額定值的80%~110%，如果電源電壓波動(dòng)范圍超出數控系統的要求，應考慮配備交流穩壓器，以保證系統安全可靠地運行。同時(shí)，數控車(chē)床一般要求接地電阻小于5歐姆，不允許有較大的反射干擾。若電壓或接地達不到上述要求，數控系統就會(huì )不穩定，甚至出現莫名其妙的碰撞事故。
開(kāi)關(guān)靈敏性要求。數控系統第一次接通電源時(shí)，一定要做好按急停按鈕的準備，隨時(shí)切斷電源。通電正常后，檢查各工作開(kāi)關(guān)工作是否正常，檢查數控緊急急停開(kāi)關(guān)工作是否正常，如果這些重要的保護開(kāi)關(guān)工作不正常，將直接導致碰撞事故的發(fā)生。
（2）手動(dòng)操作階段注意事項
機械回零操作。數控車(chē)床在開(kāi)機后必須立即進(jìn)行回參考點(diǎn)操作，即機械回零操作。發(fā)生意外而按下急停按鈕時(shí)，則必須重新回一次機械零點(diǎn)。若不進(jìn)行此項操作，則很有可能在以后的操作過(guò)程中，出現不可想象的碰撞事故。在回參考點(diǎn)操作之前，應將刀架移動(dòng)到減速開(kāi)關(guān)和負限位開(kāi)關(guān)之間，以便機床在返回參考點(diǎn)的過(guò)程中找到減速開(kāi)關(guān)。為保證安全，防止刀架與尾座相撞，在回參考點(diǎn)時(shí)，應首先讓+X方向回參考點(diǎn)，然后讓+Z方向回參考點(diǎn)。若先讓+Z方向回參考點(diǎn)，則由于Z向向右移動(dòng)過(guò)程中，很容易發(fā)生刀架與尾座或安裝在尾座中的頂尖、鉆頭發(fā)生碰撞事故，從而造成損失。在回參考點(diǎn)操作中，要認真觀(guān)察數控車(chē)床面板上的“X零點(diǎn)”或“Z零點(diǎn)”的指示燈，燈亮了，表示該軸已回到參考點(diǎn)了。只有兩個(gè)點(diǎn)都亮了，才表示機械回零操作成功。
手動(dòng)操作前的機械檢查。在對數控車(chē)床進(jìn)行手動(dòng)操作前，需對數控車(chē)床進(jìn)行相關(guān)的檢查，如工件的裝夾是否牢靠，伸出長(cháng)度是否夠長(cháng)，刀具是否裝夾正確、牢固，主軸的高、低擋手柄是否到位，刀架是否離工件有一段安全的距離等，通過(guò)這一系列的檢查，來(lái)避免發(fā)生碰撞事故。
對刀操作時(shí)的注意事項。手動(dòng)對刀時(shí)，由于各個(gè)刀具伸出長(cháng)度不相同，特別是使用轉塔式六工位刀架，當外圓刀和鏜刀安裝靠在一起時(shí)，對好外圓刀具，離開(kāi)工件后，手動(dòng)換刀時(shí)，就很容易發(fā)生鏜刀和工件的碰撞事故。具體操作時(shí)，應該在對刀操作過(guò)程中，當對好一把刀后，把刀具遠移工件，目測到換刀時(shí)與工件不發(fā)生干涉的地方，再手動(dòng)換下一把刀，再對刀。這樣就能避免在對刀操作過(guò)程中發(fā)生刀具和工件的碰撞事故。
（3）程序編制階段
程序編制是數控加工至關(guān)重要的環(huán)節，提高編程技巧可以在很大程度上避免一些不必要的碰撞安全事故。
編程時(shí)，對于換刀要注意留給刀具足夠的空間位置（尤其是鏜孔刀），要在機床上實(shí)際測量確定換刀點(diǎn)坐標。如遇工件較長(cháng)需頂尖支撐，更應特別注意。
同一條程序段中，相同指令（相同地址符）或同一組指令，前面的指令不起作用，而是執行后面出現的指令。例如：G01 U100。0 U50。0 F200；執行的是U50。0， X軸相對移動(dòng)50mm，而不是100mm。同理：G01 G02 X30。0 Z20。0 R10；執行的是G02。
加工程序走刀路線(xiàn)。加工程序編寫(xiě)的順序（走刀路線(xiàn)）必須按照工件圖紙和工藝單要求確定加工路線(xiàn)，為保證零件的尺寸和位置的精度，應選擇適當的加工順序和裝夾方法，以確保加工的可行性。在確定過(guò)程中，還要注意遵循先粗后精、先近后遠、內外交叉等一般性加工原則。
G70—G73等循環(huán)指令執行后的最后一刀是從程序終點(diǎn)快速返回程序起點(diǎn)，為了避免車(chē)刀從終點(diǎn)快速返回起點(diǎn)時(shí)撞向工件，在設置起點(diǎn)時(shí)應注意終點(diǎn)與起點(diǎn)的連線(xiàn)必須在工件之外，不能跟工件的任一位置交叉，否則退刀時(shí)會(huì )出現碰撞。特別是G70精加工循環(huán)指令的起點(diǎn)位置更應該注意，在對指令走刀路線(xiàn)不熟悉的情況下，建議將G70的起點(diǎn)坐標設在其它粗加工循環(huán)指令的起點(diǎn)位置上。
“G92”指令執行之后，系統默認的走刀速度是每轉一個(gè)螺距的速度，所以“G92”后面若緊跟“G01”或“G02”等指令，必須重新設置F值，不然在高速啟動(dòng)主軸的情況下，系統按螺紋加工的走刀速度執行，會(huì )出現兩種情況：一種是機床不動(dòng)，伺服系統報警；第二種是刀具移動(dòng)速度非？欤ù笥贕0），造成撞車(chē)事故。同時(shí)，普通螺紋加工時(shí)刀具起點(diǎn)位置要相同，“X”軸起點(diǎn)終點(diǎn)坐標要相同，避免亂扣和錐螺紋產(chǎn)生。
總之，掌握數控車(chē)床的編程技不但能很好地提高經(jīng)驗交流加工效率、加工質(zhì)量，更能避免加工中出現不必要的錯誤。這需要在實(shí)踐中不斷總結經(jīng)驗，不斷提高，從而使編程、加工能力進(jìn)一步加強，更進(jìn)一步提高編程安全。
（4）程序的調試階段
養成不急不躁的調試心理。在調試新程序時(shí)，要養成不急不躁的調試心理。在調試前，一定要從頭到尾仔細檢查程序的正確性。此時(shí)，數控車(chē)床產(chǎn)生碰撞的原因有以下幾種：
①、 程序數據輸入錯誤有時(shí)把G01輸成G00，或X、Z值輸錯，或者小數點(diǎn)點(diǎn)錯。所以，在程序輸入后不要急于自動(dòng)執行程序加工，應定下心來(lái)仔細檢查，把這些錯誤消除。
②、 編程錯誤。有些程序在結構和句法上沒(méi)有錯誤，但當裝上工件和刀具加工時(shí)，極有可能發(fā)生碰撞。一定要檢查好刀具走的軌跡是否會(huì )發(fā)生碰撞。
③、 利用數控車(chē)床自帶的圖形模擬加工功能。一般較為先進(jìn)的數控車(chē)床都具有圖形模擬加工功能，在自動(dòng)加工前，為避免程序錯誤，刀具碰撞工件或卡盤(pán)，可對整個(gè)加工過(guò)程進(jìn)行圖形模擬，檢查刀具軌跡是否正確。
④、 數控車(chē)床的圖形顯示一般為二維坐標（XZ平面）顯示。模擬加工操作主要有：先輸入毛坯內、外徑以及長(cháng)度尺寸、比例系數，選擇刀具，然后進(jìn)行模擬加工顯示，可詳細地觀(guān)察刀具的運動(dòng)軌跡，以便檢查刀具與工件或夾具是否有可能碰撞。如有錯誤，進(jìn)行修改，再模擬加工顯示，直到正確為止。
坐標系、刀補的設置必須正確。一般的初學(xué)者有一錯誤認識，認為數控車(chē)床操作簡(jiǎn)單，會(huì )編程序，程序模擬沒(méi)問(wèn)題，機床基本結構弄明白，就可以上手操作。實(shí)際上操作者在沒(méi)有把機床坐標系（參考點(diǎn)）、編程坐標系、工件坐標系完全理解的情況下操作數控車(chē)床是非常危險的。機床坐標系是CNC進(jìn)行坐標計算的基準坐標系統，是機床固有的坐標系統，參考點(diǎn)為機床上一固定點(diǎn)，參考點(diǎn)由安裝在機床上的零點(diǎn)開(kāi)關(guān)決定，機床系統啟動(dòng)后，進(jìn)行返回參考點(diǎn)操作，機床坐標系就建立了。工件坐標系是編寫(xiě)加工程序時(shí)使用的坐標系，是為了方便編程在零件圖樣上設定的直角坐標系，一般情況下，將Z軸與工件軸線(xiàn)重合，X軸則設在工件端面上。工件坐標系是加工工件時(shí)使用的坐標系，理論上應該與編程坐標系一致，能否讓工件坐標系與編程坐標系一致，是操作中設置工件坐標系及刀補值的關(guān)鍵。
養成規范的調試動(dòng)作。主要包括以下幾點(diǎn)：
①、 調試程序時(shí)必須把G00速度選擇開(kāi)關(guān)打在F0擋上，讓刀具以較慢的速度靠近工件，否則，一旦刀偏有錯，刀具從換刀點(diǎn)以G00方式極快地運動(dòng)到進(jìn)刀點(diǎn)時(shí)，可能會(huì )與工件發(fā)生強烈的碰撞，讓操作者無(wú)所適從，來(lái)不及排除險情；相反，讓刀具以較慢的速度靠近時(shí)，即使刀偏有誤，操作者也有充裕的時(shí)間給予調整。
②、 在調試程序時(shí)，必須使數控車(chē)床處于單步執行的狀態(tài)。操作者在數控車(chē)床執行上一程序段后，必須再次檢查下一程序段的正誤性和合理性，并相應作出調整。
③、 數控車(chē)床在運動(dòng)過(guò)程中，操作者必須時(shí)刻觀(guān)察屏幕上刀具坐標的變化和程序中的運動(dòng)終點(diǎn)坐標與刀具實(shí)際運動(dòng)的坐標是否一致。
④、 程序調試過(guò)程中，操作者可將一只手指放在循環(huán)啟動(dòng)按鈕上，另一只手指放在循環(huán)保持按鈕邊，以便在緊急時(shí)刻能及時(shí)停止程序的執行。同時(shí)，時(shí)刻記住緊急按鈕的位置，以便不時(shí)之需。
在啟動(dòng)機床時(shí)，一般要進(jìn)行機床參考點(diǎn)設置。機床工件坐標系應與編程坐標系保持一致，如果出錯，車(chē)刀與工件碰撞的可能性就非常大。此外，刀具長(cháng)度補償的設置必須正確，否則，要么是空加工，要么是發(fā)生碰撞。
（5）程序的調試階段
利用計算機模擬仿真功能。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，數控加工教學(xué)的不斷擴大，數控加工模擬仿真系統越來(lái)越多，其功能日趨完善。因此可用于初步檢查程序，觀(guān)察刀具的運動(dòng)，來(lái)確定是否有可能發(fā)生碰撞。
利用數控車(chē)床自帶的圖形模擬加工功能。一般較為先進(jìn)的數控車(chē)床都自具有圖形模擬加工功能，在自動(dòng)加工前，為避免程序錯誤，刀具碰撞工件或卡盤(pán)，可對整個(gè)加工過(guò)程進(jìn)行圖形模擬，檢查刀具軌跡是否正確。
4. 嚴格遵守操作規程
降低數控設備的操作事故應不僅要從從管理、工藝、培訓、監督檢查等多環(huán)節進(jìn)行預防，根據多年從事數控的經(jīng)驗和眾多案例的研究，我們總結出以下數控機床預防操作事故規程，可以對操作事故的預防起到積極的指導作用。
①、 數控設備定人定機操作，未取得資格前不得操作設備。
②、 兩個(gè)以上人員操作設備時(shí)必須做好協(xié)商交接工件，嚴禁未經(jīng)操作人員同意擅自更換設備狀態(tài)。
③、 操作人員應不斷加強業(yè)務(wù)學(xué)習，不斷提高責任心。
④、 首件加工前必須仔細檢查程序，并經(jīng)單段加工試驗后方可進(jìn)行自動(dòng)加工。
⑤、 對程序和數據修改后必須嚴格檢查，并按首件加工步驟執行。
⑥、 對編程中的坐標原點(diǎn)及換刀點(diǎn)的選擇必須做到安全第一、萬(wàn)無(wú)一失。
⑦、 合理選用切削參數，如轉速、切削量、進(jìn)給量等，杜絕超負荷使用設備。
⑧、 嚴格檢查工件毛坯，對于毛坯外形過(guò)大(或過(guò)小)者必須預先處理。
⑨、 工件、道具裝夾必需方式、位置合理，夾緊力調節恰當。
⑩、 刀柄裝夾必需牢固可靠。
⑪、 操作中必需謹慎細心，嚴防手動(dòng)移動(dòng)機床時(shí)發(fā)生碰撞。
⑫、 設備出現異；蜃曹(chē)事故，必須立即通知維修人員檢查設備狀況，不得隱瞞拖延。
⑬、 未經(jīng)專(zhuān)業(yè)培訓和認可，嚴禁調整和修改機床參數。
⑭、 認真切實(shí)按照操作說(shuō)明每日按時(shí)保養設備，如實(shí)填寫(xiě)設備點(diǎn)檢表。
5. 結束語(yǔ)
以上從數控車(chē)床使用的全過(guò)程，介紹了發(fā)生碰撞的各種影響因素原因及解決辦法。數控車(chē)床碰撞安全事故應以預防為主，作為機床操作者應熟悉數控系統的各種操作，掌握系統功能鍵，達到熟練操作，減少失誤。
麗馳機械
臺灣加工中心
廣東大川
大川機械