1. 引言
随着现代科技不断地进步，数控机床经历了近60年的发展，目前已占据了制造业自动化设备的主导地位，在发达国家数控机床的普及率已经达到了30%以上，我国的数控设备普及率虽不足5%，但随着制造业水平和需求的不断提高，我国对数控机床将会形成巨大的需求，从2003年起我国已成为全世界最大的数控机床消费国，同时也是世界最大的数控机床进口国。数控机床逐步开始在我国制造业普遍使用，但也有许多企业近年来才开始接触和使用数控机床，由于使用经验的欠缺以及操作人员水平的参差不齐，如何正确、高效地使用数控机床，将是摆在我们面前的一个重要课题。
2. 数控车床发生故障主要类型
由于数控车床是按编程人员所编程序指令进行自动加工的，尽管现在有好多模拟仿真软件可以检测程序，但仍会由于各种原因，造成机床发生碰撞事故时有发生。
（1）系统编程缺陷原因
刀具补偿和程序中坐标值输入时漏掉小数点或输错位置。某些数控系统如FANC系统坐标尺寸数据如无小数点时以μm为单位，有小数点以mm为单位，如漏掉小数点或输错位置会使数据错误而发生事故。
对刀时刀具号输错或程序坐标原点设定不对。对刀时输错刀号使实际的刀具与刀偏值不匹配，加工中数控系统按照错误的刀偏数据和工件原点来计算加工路径，造成事故发生。
程序中换刀点设定不对，或编程时退刀指令输入错误。换刀点设定过近，调用新刀时刀盘旋转，长柄刀具与工件或卡盘相撞。退刀指令有三种路径，先X向再Z向退刀，先Z向再X向退刀或X向同时退刀，退刀指令一般都采取快速移动指令，如果刀尖在工件内部或中途存在干涉，退刀中路径安排错误造成工件报废或发生碰撞。
切削量、进给率、转速等参数设置过大或不合理，造成闷车、扎活、打刀等事故。
（2）机床机械故障
伺服电机出现机械故障，或者由于伺服电机下的接线在操作中被拉断，伺服电机与滚珠丝杠之间连接销钉脱落，使电机与拖板之间移动不同步，或丝杠中有异物（如切屑等），造成机床两轴中其中一个方向不动或移动缓慢，使机床出现撞车事故。操作时应做到及时调整，注意传动系统发出的异声，发现故障及时处理，机床导轨及丝杠使用完毕应清理干净，定时、定期对车床油路进行检查，确保油路的通畅。
加工中对切削量、进给率等参数进行调节后，操作人员未进行仔细观察调试或离开机床，此时若切削中出现异常情况则无法及时处理，造成过载停车，甚至损坏刀具、工件或损伤机床。
毛坯尺寸过大时未仔细区分，直接加工造成刀具与工件相撞。工件的毛坯有时会出现外形尺寸偏差较大或形状不规则，尤其是一些气割、锻压下料的毛坯可能会有较大的毛边，锯床下料也可能会过长或端面歪斜，如不区分或加以预先分类规整，直接装夹加工，在切削前的快速定位阶段就会撞上工件或第一次切削时余量过大引起闷车、过载甚至造成旋转工件脱落飞出的严重后果。
液压卡盘使用中压力调节过小或卡爪位置调节不当，工件装夹不牢加工中飞出造成事故。液压卡盘卡爪松夹行程较小只有几毫米，如行程调整不当或遇到个别毛坯外径较小时可能会造成工件看似夹紧，但实际上卡爪已到行程极限，工件并未可靠夹紧，切削中造成工间脱落和飞出。
数控车床在一些特殊情况，需要使用液压卡爪夹持工装夹具或手动卡盘，再用工装或手动卡盘夹持工件，这种形式不仅存在两级夹持的稳定性问题，同时也存在液压卡爪夹持力的是否可靠问题，未进行充分论证和计算情况下应避免使用。
3. 预防和避免碰撞事故措施
（1）安装和调试阶段技术要求
环境温度和湿度要求。数控车床一般要求使用环境恒温，以确保机床的工作精度，一般要求恒温20摄氏度左右。大量的实践证明，夏季高温时期，数控系统的故障率大大增加，很易造成碰撞事故的发生。潮湿的环境也会降低数控车床运行的可靠性，因此应对数控车床环境采取去湿措施，以避免电路短路，造成数控系统误操作，发生碰撞事故。同时，还要求数控车床远离锻压设备等振动源，远离电磁场干扰，远离电焊机，远离线切割机床以及电火花机床等电加工机床。
电网和地线的要求。数控系统的电源变压器和伺服变压器都有多个抽头，外接电源必须正确。另外，还要进行电源电压波动范围的确认，一般数控系统允许电压的波动范围为额定值的80%~110%，如果电源电压波动范围超出数控系统的要求，应考虑配备交流稳压器，以保证系统安全可靠地运行。同时，数控车床一般要求接地电阻小于5欧姆，不允许有较大的反射干扰。若电压或接地达不到上述要求，数控系统就会不稳定，甚至出现莫名其妙的碰撞事故。
开关灵敏性要求。数控系统第一次接通电源时，一定要做好按急停按钮的准备，随时切断电源。通电正常后，检查各工作开关工作是否正常，检查数控紧急急停开关工作是否正常，如果这些重要的保护开关工作不正常，将直接导致碰撞事故的发生。
（2）手动操作阶段注意事项
机械回零操作。数控车床在开机后必须立即进行回参考点操作，即机械回零操作。发生意外而按下急停按钮时，则必须重新回一次机械零点。若不进行此项操作，则很有可能在以后的操作过程中，出现不可想象的碰撞事故。在回参考点操作之前，应将刀架移动到减速开关和负限位开关之间，以便机床在返回参考点的过程中找到减速开关。为保证安全，防止刀架与尾座相撞，在回参考点时，应首先让+X方向回参考点，然后让+Z方向回参考点。若先让+Z方向回参考点，则由于Z向向右移动过程中，很容易发生刀架与尾座或安装在尾座中的顶尖、钻头发生碰撞事故，从而造成损失。在回参考点操作中，要认真观察数控车床面板上的“X零点”或“Z零点”的指示灯，灯亮了，表示该轴已回到参考点了。只有两个点都亮了，才表示机械回零操作成功。
手动操作前的机械检查。在对数控车床进行手动操作前，需对数控车床进行相关的检查，如工件的装夹是否牢靠，伸出长度是否够长，刀具是否装夹正确、牢固，主轴的高、低挡手柄是否到位，刀架是否离工件有一段安全的距离等，通过这一系列的检查，来避免发生碰撞事故。
对刀操作时的注意事项。手动对刀时，由于各个刀具伸出长度不相同，特别是使用转塔式六工位刀架，当外圆刀和镗刀安装靠在一起时，对好外圆刀具，离开工件后，手动换刀时，就很容易发生镗刀和工件的碰撞事故。具体操作时，应该在对刀操作过程中，当对好一把刀后，把刀具远移工件，目测到换刀时与工件不发生干涉的地方，再手动换下一把刀，再对刀。这样就能避免在对刀操作过程中发生刀具和工件的碰撞事故。
（3）程序编制阶段
程序编制是数控加工至关重要的环节，提高编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。
编程时，对于换刀要注意留给刀具足够的空间位置（尤其是镗孔刀），要在机床上实际测量确定换刀点坐标。如遇工件较长需顶尖支撑，更应特别注意。
同一条程序段中，相同指令（相同地址符）或同一组指令，前面的指令不起作用，而是执行后面出现的指令。例如：G01 U100。0 U50。0 F200；执行的是U50。0， X轴相对移动50mm，而不是100mm。同理：G01 G02 X30。0 Z20。0 R10；执行的是G02。
加工程序走刀路线。加工程序编写的顺序（走刀路线）必须按照工件图纸和工艺单要求确定加工路线，为保证零件的尺寸和位置的精度，应选择适当的加工顺序和装夹方法，以确保加工的可行性。在确定过程中，还要注意遵循先粗后精、先近后远、内外交叉等一般性加工原则。
G70—G73等循环指令执行后的最后一刀是从程序终点快速返回程序起点，为了避免车刀从终点快速返回起点时撞向工件，在设置起点时应注意终点与起点的连线必须在工件之外，不能跟工件的任一位置交叉，否则退刀时会出现碰撞。特别是G70精加工循环指令的起点位置更应该注意，在对指令走刀路线不熟悉的情况下，建议将G70的起点坐标设在其它粗加工循环指令的起点位置上。
“G92”指令执行之后，系统默认的走刀速度是每转一个螺距的速度，所以“G92”后面若紧跟“G01”或“G02”等指令，必须重新设置F值，不然在高速启动主轴的情况下，系统按螺纹加工的走刀速度执行，会出现两种情况：一种是机床不动，伺服系统报警；第二种是刀具移动速度非常快（大于G0），造成撞车事故。同时，普通螺纹加工时刀具起点位置要相同，“X”轴起点终点坐标要相同，避免乱扣和锥螺纹产生。
总之，掌握数控车床的编程技不但能很好地提高经验交流加工效率、加工质量，更能避免加工中出现不必要的错误。这需要在实践中不断总结经验，不断提高，从而使编程、加工能力进一步加强，更进一步提高编程安全。
（4）程序的调试阶段
养成不急不躁的调试心理。在调试新程序时，要养成不急不躁的调试心理。在调试前，一定要从头到尾仔细检查程序的正确性。此时，数控车床产生碰撞的原因有以下几种：
①、 程序数据输入错误有时把G01输成G00，或X、Z值输错，或者小数点点错。所以，在程序输入后不要急于自动执行程序加工，应定下心来仔细检查，把这些错误消除。
②、 编程错误。有些程序在结构和句法上没有错误，但当装上工件和刀具加工时，极有可能发生碰撞。一定要检查好刀具走的轨迹是否会发生碰撞。
③、 利用数控车床自带的图形模拟加工功能。一般较为先进的数控车床都具有图形模拟加工功能，在自动加工前，为避免程序错误，刀具碰撞工件或卡盘，可对整个加工过程进行图形模拟，检查刀具轨迹是否正确。
④、 数控车床的图形显示一般为二维坐标（XZ平面）显示。模拟加工操作主要有：先输入毛坯内、外径以及长度尺寸、比例系数，选择刀具，然后进行模拟加工显示，可详细地观察刀具的运动轨迹，以便检查刀具与工件或夹具是否有可能碰撞。如有错误，进行修改，再模拟加工显示，直到正确为止。
坐标系、刀补的设置必须正确。一般的初学者有一错误认识，认为数控车床操作简单，会编程序，程序模拟没问题，机床基本结构弄明白，就可以上手操作。实际上操作者在没有把机床坐标系（参考点）、编程坐标系、工件坐标系完全理解的情况下操作数控车床是非常危险的。机床坐标系是CNC进行坐标计算的基准坐标系统，是机床固有的坐标系统，参考点为机床上一固定点，参考点由安装在机床上的零点开关决定，机床系统启动后，进行返回参考点操作，机床坐标系就建立了。工件坐标系是编写加工程序时使用的坐标系，是为了方便编程在零件图样上设定的直角坐标系，一般情况下，将Z轴与工件轴线重合，X轴则设在工件端面上。工件坐标系是加工工件时使用的坐标系，理论上应该与编程坐标系一致，能否让工件坐标系与编程坐标系一致，是操作中设置工件坐标系及刀补值的关键。
养成规范的调试动作。主要包括以下几点：
①、 调试程序时必须把G00速度选择开关打在F0挡上，让刀具以较慢的速度靠近工件，否则，一旦刀偏有错，刀具从换刀点以G00方式极快地运动到进刀点时，可能会与工件发生强烈的碰撞，让操作者无所适从，来不及排除险情；相反，让刀具以较慢的速度靠近时，即使刀偏有误，操作者也有充裕的时间给予调整。
②、 在调试程序时，必须使数控车床处于单步执行的状态。操作者在数控车床执行上一程序段后，必须再次检查下一程序段的正误性和合理性，并相应作出调整。
③、 数控车床在运动过程中，操作者必须时刻观察屏幕上刀具坐标的变化和程序中的运动终点坐标与刀具实际运动的坐标是否一致。
④、 程序调试过程中，操作者可将一只手指放在循环启动按钮上，另一只手指放在循环保持按钮边，以便在紧急时刻能及时停止程序的执行。同时，时刻记住紧急按钮的位置，以便不时之需。
在启动机床时，一般要进行机床参考点设置。机床工件坐标系应与编程坐标系保持一致，如果出错，车刀与工件碰撞的可能性就非常大。此外，刀具长度补偿的设置必须正确，否则，要么是空加工，要么是发生碰撞。
（5）程序的调试阶段
利用计算机模拟仿真功能。随着计算机技术的发展，数控加工教学的不断扩大，数控加工模拟仿真系统越来越多，其功能日趋完善。因此可用于初步检查程序，观察刀具的运动，来确定是否有可能发生碰撞。
利用数控车床自带的图形模拟加工功能。一般较为先进的数控车床都自具有图形模拟加工功能，在自动加工前，为避免程序错误，刀具碰撞工件或卡盘，可对整个加工过程进行图形模拟，检查刀具轨迹是否正确。
4. 严格遵守操作规程
降低数控设备的操作事故应不仅要从从管理、工艺、培训、监督检查等多环节进行预防，根据多年从事数控的经验和众多案例的研究，我们总结出以下数控机床预防操作事故规程，可以对操作事故的预防起到积极的指导作用。
①、 数控设备定人定机操作，未取得资格前不得操作设备。
②、 两个以上人员操作设备时必须做好协商交接工件，严禁未经操作人员同意擅自更换设备状态。
③、 操作人员应不断加强业务学习，不断提高责任心。
④、 首件加工前必须仔细检查程序，并经单段加工试验后方可进行自动加工。
⑤、 对程序和数据修改后必须严格检查，并按首件加工步骤执行。
⑥、 对编程中的坐标原点及换刀点的选择必须做到安全第一、万无一失。
⑦、 合理选用切削参数，如转速、切削量、进给量等，杜绝超负荷使用设备。
⑧、 严格检查工件毛坯，对于毛坯外形过大(或过小)者必须预先处理。
⑨、 工件、道具装夹必需方式、位置合理，夹紧力调节恰当。
⑩、 刀柄装夹必需牢固可靠。
⑪、 操作中必需谨慎细心，严防手动移动机床时发生碰撞。
⑫、 设备出现异常或撞车事故，必须立即通知维修人员检查设备状况，不得隐瞒拖延。
⑬、 未经专业培训和认可，严禁调整和修改机床参数。
⑭、 认真切实按照操作说明每日按时保养设备，如实填写设备点检表。
5. 结束语
以上从数控车床使用的全过程，介绍了发生碰撞的各种影响因素原因及解决办法。数控车床碰撞安全事故应以预防为主，作为机床操作者应熟悉数控系统的各种操作，掌握系统功能键，达到熟练操作，减少失误。
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