基于西門子840D測頭對刀技術(shù)研究*

陳 華 陳東生 何建國 吉 方 唐小會 黃 文

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621900)

建立工件坐標系、確立工件坐標原點相對機床坐標系的位置，是實現(xiàn)數(shù)控編程、進行自動化加工的必要前提［1］。目前數(shù)控機床加工中仍普遍采用人工手動試切對刀，對刀精度、自動化程度和效率均較低，而且試切對刀法不適合某些特殊類零件加工，如精密零件的二次裝夾加工、精密零件研拋加工等。目前某些高檔數(shù)控機床中配置了對刀儀等自動測量裝置［2－5］，加工精度和自動化程度得以提高，但成本相對昂貴、且功能比較單一，無法滿足某些特殊工藝的測量需求。

本文針對磁流變拋光工藝裝備需求，基于西門子840D數(shù)控系統(tǒng)研究多功能對刀測量技術(shù)，通過對刀測頭信號處理、驅(qū)動程序與對刀功能模塊設(shè)計等，較為經(jīng)濟、高效地實現(xiàn)了將雷尼紹MCP測頭與西門子840D數(shù)控系統(tǒng)有機集成，應用于磁流變拋光工藝裝備，滿足拋光工藝對對刀測量功能與測量精度的需求。

1 應用需求分析

在磁流變拋光工藝裝備中，需通過測頭對刀技術(shù)，實現(xiàn)工件坐標系建立、工件位姿測量、緞帶標定等功能。根據(jù)拋光工藝的特殊性，磁流變拋光工藝裝備中的測頭對刀技術(shù)需滿足以下幾個要求:

(1)與西門子840D數(shù)控系統(tǒng)整體集成;

(2)具備非常高的可靠性，避免測頭、拋光頭與工件發(fā)生碰撞;

(3)測量精度高，具備較高的重復定位精度，重復定位精度優(yōu)于3 μm，滿足定點拋光的工藝需求;

(4)成本較低，滿足設(shè)備以較低的成本實現(xiàn)較高的經(jīng)濟效益。

根據(jù)以上需求分析，基于西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的功能特點，從測量功能和測量性能兩方面綜合考慮測頭對刀方案，滿足磁流變拋光工藝對測頭對刀測量技術(shù)的多功能與高性能的工程應用需求。

2 對刀測量方案設(shè)計

目前對刀測量方法主要包括非接觸式測量和機械接觸式測量兩大類。非接觸式測量具有快速對刀、可檢測微細結(jié)構(gòu)、對工件無接觸損傷等優(yōu)點［6－9］，但以激光為代表的非接觸式測量方式存在對環(huán)境的敏感性及高成本等局限性，制約其廣泛推廣應用。機械接觸式測量具有測量精度高、可靠性高、成本較低等優(yōu)點［10］，在三坐標測量、逆向工程研究等方面得到廣泛應用。

在磁流變拋光工藝裝備中，加工工件為透明材料，采用激光非接觸測量精度較低，且實現(xiàn)X、Y、Z三方向?qū)Φ稖y量的結(jié)構(gòu)復雜、可靠性降低。因此，選用機械接觸式測量方法實現(xiàn)對刀測量，其測量原理如圖1所示。測頭觸碰工件時產(chǎn)生一個觸發(fā)信號，該信號經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換器進行采樣、整形、濾波后，轉(zhuǎn)換為控制器可識別處理的信號，該信號上升沿觸發(fā)控制器進行中斷處理，如記錄當前坐標值、調(diào)用NC子程序等。

因此，為確保測頭對刀滿足測量精度和可靠性要求，設(shè)計中需重點考慮以下幾方面:

(1)傳感器測頭具有較高的靈敏度和重復定位精度，以確保測頭觸碰工件時能觸發(fā)有效信號，并確保原始信號重復精度高;

(2)信號轉(zhuǎn)換器處理原始信號響應快，即:原始觸發(fā)信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換器處理后輸出信號，相對于原始信號的遲滯時間短，減少因遲滯導致運動方向坐標測量值與實際值之間的誤差值(可通過軟件補償);

(3)對刀測量程序中需進行防碰撞設(shè)計，以保護測頭、拋光頭和工件，確保對刀測量過程可靠進行。

根據(jù)以上分析，傳感器測頭選用雷尼紹MCP測頭，如圖2所示。該測頭價格相對機床用測頭便宜，其重復定位精度為±1 μm，外接24 V電源、驅(qū)動能力為20 mA。該測頭輸出信號不能直接輸入到控制器，需經(jīng)信號轉(zhuǎn)換器進行采樣、整形、濾波。雷尼紹公司為其測頭設(shè)計了接口模塊MI8－4，將測頭信號轉(zhuǎn)換成常閉或常開觸點信號。但該接口模塊價格比較貴。根據(jù)其信號處理原理，設(shè)計并定制了信號處理模塊XH－2，如圖3所示，其成本低于接口模塊MI8－4價格的1/10。

按照雷尼紹MCP測頭、信號轉(zhuǎn)換模塊及西門子840D信號接口關(guān)系，對刀測量電氣原理圖如圖4所示。西門子840D數(shù)控系統(tǒng)提供兩個傳感器測頭信號接口，在硬件上表現(xiàn)為其NCU的I/O接口X121的針腳9和針腳28，在軟件上表現(xiàn)為數(shù)據(jù)接口信號DB10.DBX107.0 和 DB10.DBX107.1。兩測頭輸出信號(傳感器測頭輸出信號針腳4和針腳5)通過測頭信號轉(zhuǎn)換模塊進行信號處理，分別輸入到西門子840D數(shù)控系統(tǒng)NCU的X121的針腳9和針腳28。PLC循環(huán)掃描檢測 DB10.DBX107.0 和 DB10.DBX107.1，判斷測頭是否產(chǎn)生觸發(fā)上升沿信號;NC程序中分別通過命令“MEAS=1”和“MEAS=2”，分別實現(xiàn)測頭 1、測頭 2在其觸發(fā)產(chǎn)生上升沿信號時記錄當前坐標值，并跳轉(zhuǎn)當前NC程序段。

測頭對刀流程如圖5所示，測頭信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換器、控制器測頭接口后，控制器循環(huán)掃描檢測觸發(fā)信號是否產(chǎn)生。當控制器檢測到觸發(fā)信號后，NC根據(jù)用戶程序執(zhí)行中斷和跳轉(zhuǎn)。通過配置系統(tǒng)參數(shù)表，并根據(jù)工藝測量需求編制NC子程序，實現(xiàn)工件坐標系建立、位姿測量、緞帶標定等各種測量功能。

3 實驗與結(jié)果

3.1方案可行性驗證

在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)中，測頭對刀程序主要基于命令“MEAS”。當“MEAS=1”時，測頭1觸發(fā)的上升沿信號中斷當前運行的NC語句，系統(tǒng)記錄并存儲當前各軸的坐標、速度等相關(guān)參數(shù);當“MEAS=2”時，測頭2觸發(fā)的上升沿信號中斷當前NC語句，系統(tǒng)記錄并存儲當前各軸的坐標、速度等相關(guān)參數(shù)。

為檢驗設(shè)計方案的可行性，考核測頭的重復定位精度，設(shè)計了如下測頭對刀NC程序。程序以測頭1實現(xiàn)Z向?qū)Φ稙槔?，測頭1在X向和Y向?qū)Φ叮瑴y頭2在各向上的對刀修改相應部分的G代碼即可，本文省略該部分內(nèi)容。由于雷尼紹MCP測頭靈敏度較高，采用了快速粗對刀、慢速精對刀的測量方法，減小測量信號響應遲滯時間引入的測量誤差，以提高其重復定位精度。

采用以上程序作重復性對刀測試時，其測量數(shù)據(jù)如表1所示:各次測量偏差不大于0.001 5 mm。測量數(shù)據(jù)表明，該方案的測量器件和測量方法滿足測頭對刀測量功能和性能兩方面的需求。

3.2 雙測頭對刀測量

在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)中，MEAS命令實現(xiàn)對刀測量僅僅針對幾何軸運動有效。當NC程序中的對刀測量語句中含非幾何軸時，測頭觸發(fā)測量時產(chǎn)生報警號21702(通道測量段X/X測量無效)。根據(jù)西門子DocOnCD資料的解釋，產(chǎn)生該報警信號時由于測量程序塊已結(jié)束、但激活的測頭沒有響應，原因為測量任務中沒有程序編制所有的幾何軸，至少有一個測量值轉(zhuǎn)換到工件坐標系時丟失。

表1 Z1向測頭對刀實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)報警原因分析，出現(xiàn)報警21702并導致對刀功能無法實現(xiàn)，與幾何軸配置有關(guān)。為實現(xiàn)雙Z軸的雙測頭對刀測量，需動態(tài)修改幾何軸參數(shù)配置，有兩種方法實現(xiàn)，其一為:在機床參數(shù)配置中修改幾何軸為Z1或Z2，此方法需上電重啟才能生效，實際操作不可行;方法二為:在NC程序中，執(zhí)行對刀測量語句前，通過命令GEOAX(軸號N，軸名)，將該測頭對應的Z軸設(shè)置為幾何軸并立即生效。通過此方法，回避了因數(shù)控系統(tǒng)無法在同向上配置雙幾何軸問題導致測頭報警、無法順利完成測頭對刀測量的問題。

4 結(jié)語

本文介紹的測頭對刀方案已應用于中國工程物理研究院研制的雙磨頭拋光磁流變拋光機床，經(jīng)過一年多時間的運行考核，證明該測量方案滿足磁流變拋光工藝通過對刀工藝建立工件坐標系、測量位姿和標定緞帶對測量精度和運行安全可靠性的應用需求。該方案也可應用于改造其他數(shù)控機床，在普通數(shù)控機床上經(jīng)濟、高效地實現(xiàn)自動對刀測量功能。

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