伺服系统在自动化设备中广泛应用，但撞机（机械碰撞或过载）可能导致设备损坏、生产中断甚至人员伤害。为避免此类问题，需从硬件设计、控制策略、软件保护、操作规范等多维度综合防护。以下是具体解决方案：
一、硬件层面的防护措施
机械限位与缓冲装置
注意：限位开关需定期检查，避免因松动或磨损导致失效。
硬限位开关：在运动轴的极限位置安装机械式限位开关（如欧姆龙WL系列），当伺服电机驱动负载触碰限位时，开关动作切断电源，强制停止运动。
缓冲器：在限位开关前加装液压或弹簧缓冲器（如ACE缓冲器），吸收碰撞能量，减少冲击力对设备和工件的损伤。
安全光栅/光幕：在危险区域（如机械臂工作范围）部署光栅（如SICK WT系列），当人体或物体进入时，立即触发急停信号。
力控与扭矩限制
伺服驱动器扭矩限制：在驱动器参数中设置最大输出扭矩（如额定扭矩的120%），当负载超过阈值时，驱动器自动降额运行或停机。
力传感器集成：在机械末端安装力传感器（如ATI Mini40），实时监测接触力，当力值超过设定值时，通过PLC或运动控制器触发保护动作。
电机与减速机选型
惯量匹配：选择电机惯量与负载惯量比（通常为1:1~5:1），避免因惯量不匹配导致控制失稳或过冲。
减速机背隙补偿：选用低背隙减速机（如谐波减速机背隙≤1弧分），减少反向运动时的间隙误差，降低碰撞风险。
二、控制策略优化
速度与加速度规划
S型加减速曲线：替代传统的梯形曲线，通过平滑的速度过渡减少机械冲击（如从0加速到1000rpm用时0.5秒，而非0.1秒）。
分段速度控制：在接近目标位置时降低速度（如最后5mm速度降至10%额定速度），预留足够的制动距离。
位置闭环控制
高精度编码器：选用分辨率≥23位的绝对式编码器（如多摩川TS5667N120），提升位置反馈精度，减少超调或振荡。
前馈补偿：在运动控制器中启用前馈控制（如速度前馈、加速度前馈），提前补偿惯性力，提高跟踪精度。
碰撞检测算法
电流突变检测：伺服电机在碰撞时电流会急剧上升，通过驱动器监测电流变化率（如ΔI/Δt>50A/ms），触发保护停机。
模型预测控制（MPC）：建立机械系统动力学模型，预测未来位置和力状态，提前调整控制输出以避免碰撞（适用于高端应用）。
三、软件与系统保护
电子凸轮与虚拟限位
电子凸轮：在运动控制器中定义虚拟凸轮曲线（如CAM表），限制轴的运动范围和速度，替代机械凸轮，减少磨损。
软限位：在PLC或HMI中设置软件限位（如X轴运动范围±100mm），当位置超出范围时，自动停止电机并报警。
故障诊断与预警
振动监测：通过加速度传感器（如PCB 356A16）监测机械振动，当振动幅值超过阈值时，提示可能发生碰撞或机械故障。
温度监控：监测电机和驱动器温度（如PT100传感器），防止过热导致性能下降或损坏。
安全PLC与功能安全
安全PLC：采用符合IEC 61508标准的安全PLC（如皮尔磁PNOZmulti 2），实现安全扭矩关闭（STO）、安全限速（SSL）等功能。
功能安全等级：根据应用风险选择安全完整性等级（SIL2/SIL3），确保保护机制在故障发生时可靠动作。
四、操作与维护规范
操作培训
培训操作人员熟悉设备运动范围、急停按钮位置和报警代码含义，避免误操作导致碰撞。
制定“手动模式操作流程”（如先低速测试再高速运行），减少人为失误。
定期维护
润滑检查：定期为导轨、丝杠等传动部件补充润滑脂（如克鲁勃GL261），减少摩擦和磨损。
参数校准：每季度校准伺服驱动器的位置环、速度环参数（如PID增益），确保控制性能稳定。
备份程序：定期备份PLC和运动控制器程序，防止因程序丢失导致设备失控。
应急预案
制定撞机后的处理流程（如停机→断电→检查损伤→复位→低速测试），避免二次事故。
记录撞机事件（时间、原因、损失），分析根本原因并优化防护措施。
五、典型案例分析
案例1：机械臂撞机防护
加装安全光栅覆盖机械臂工作区域；
在驱动器中启用电流突变检测（阈值设为200A/ms）；
在PLC中设置软限位（距离夹具50mm时降速至10%）。
问题：某汽车焊接线机械臂在换型时因程序错误撞向工装夹具。
解决方案：
效果：撞机次数从每月3次降至0次。
案例2：CNC机床过载保护
在驱动器中设置扭矩限制（额定扭矩的150%）；
加装力传感器监测切削力，当力值超过800N时自动降速；
优化加减速曲线（S型，加速时间0.8秒）。
问题：某加工中心在切削硬质材料时因主轴扭矩过大导致刀具断裂。
解决方案：
效果：刀具寿命提升40%，故障停机时间减少60%。
结语
伺服系统的撞机防护需结合硬件冗余、智能控制、软件保护和规范操作，形成多层次防御体系。对于高风险应用（如协作机器人、精密加工），建议优先采用功能安全标准（如ISO 13849）设计系统，并通过第三方认证（如TÜV）验证可靠性。随着AI和数字孪生技术的发展，未来可实现基于实时数据预测碰撞风险，进一步提前干预，将事故率降至最低。
