基于四軸臥式加工中心智能機加產(chǎn)線第四軸坐標(biāo)值機外測定與自動補償系統(tǒng)的設(shè)計

孫先海 戚曉楠 陳 然 趙光裕 胡 浩 趙俊杰

（河南航天液壓氣動技術(shù)有限公司，鄭州 451000）

1 技術(shù)背景

四軸臥式加工中心通過在原三軸加工中心的基礎(chǔ)上加裝回轉(zhuǎn)工作臺，并在回轉(zhuǎn)工作臺末端設(shè)置三爪卡盤等夾具，實現(xiàn)對零件的裝夾和加工[1]。四軸臥式加工中心生產(chǎn)線進(jìn)行智能化改造之后，實現(xiàn)了自動上、下料，操作員只需在預(yù)調(diào)臺區(qū)域完成物料的裝、卸和檢測，極大地提高了生產(chǎn)效率。在機外裝夾時，因為工件的回轉(zhuǎn)方向沒有定位基準(zhǔn)，所以無法確定工件在機床坐標(biāo)系第四軸上的坐標(biāo)值（下文B值同義），也就無法保證工件待加工平面與機床XY平面基準(zhǔn)的統(tǒng)一[2]。因此，需測定待加工面的坐標(biāo)值，從而保證工件的加工精度。目前，行業(yè)內(nèi)解決此問題通?？紤]在產(chǎn)線中增加自動測量設(shè)備或者在每個機床內(nèi)增加對刀探頭，市面上能夠?qū)崿F(xiàn)精密加工測量的設(shè)備非常昂貴，嚴(yán)重增加了智能化改造成本，使一些亟待實現(xiàn)智能化生產(chǎn)的中小企業(yè)望而卻步。

2 工作方式

2.1 系統(tǒng)工作原理

臥式加工中心第四軸坐標(biāo)值機外測定與自動補償系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是機外裝夾后確定工件待加工面在對應(yīng)機床第四軸的基準(zhǔn)。四軸臥式加工中心實現(xiàn)智能化改造后，機械手將線外裝調(diào)完畢的工件與卡盤裝在機床的回轉(zhuǎn)工作臺上，依靠零點定位系統(tǒng)實現(xiàn)精密定位[3]。零件待加工面的第四軸坐標(biāo)值可以在機床外通過零件待加工面相對于機外上料點位置來確定。為了達(dá)到更高的精度，避免每臺機床零點快換系統(tǒng)和B軸自身誤差的影響，需要多次測量確認(rèn)機床的B軸補償差值Δn（n為機床編號），并將Δn輸入到可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制程序中。零件在機外預(yù)調(diào)臺測定時，在待加工面打表，通過調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)動角度，將待加工面調(diào)至相對千分表導(dǎo)軌平行的位置，PLC控制程序計算此時卡盤的轉(zhuǎn)動角度和對n號機床的補償值。馬達(dá)轉(zhuǎn)動到上料位置完成上料，PLC與機床完成通信，并傳輸坐標(biāo)值。機床內(nèi)上料完成后，機床執(zhí)行參數(shù)補償指令，回轉(zhuǎn)工作臺運動到位開始加工[4]。

2.2 系統(tǒng)的工作流程

操作臺工件裝夾完成后要用千分表和DD馬達(dá)進(jìn)行坐標(biāo)值測定，測定完成后在控制臺進(jìn)行入庫操作，并將B值與工件綁定。當(dāng)機床進(jìn)行上料請求時，控制系統(tǒng)將B值傳輸給機床，機床開始加工。

3 最終實施方案

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

硬件結(jié)構(gòu)主要由預(yù)調(diào)臺（如圖1所示）和工裝夾具（如圖2所示）兩部分組成。其中：預(yù)調(diào)臺由預(yù)調(diào)臺面、DD馬達(dá)、零點定位器、導(dǎo)軌式千分表和按鈕盒組成，主要完成零件的打表和調(diào)整角度任務(wù)，并給PLC發(fā)出上料指令；DD馬達(dá)上方安裝有零點定位系統(tǒng)的定位器，卡盤的底部安裝有零點定位系統(tǒng)的定位拉釘。操作員在預(yù)調(diào)臺上裝料后，可通過電機控制按鈕調(diào)節(jié)電機正反轉(zhuǎn)，同時利用千分表調(diào)校工件待加工面旋轉(zhuǎn)角度，從而將待加工面調(diào)整到與千分表導(dǎo)軌基準(zhǔn)重合的位置。

工裝夾具部分由零點定位模塊、三爪卡盤、胎具和工件組成。零點定位模塊與工作臺和機床B軸上的定位器結(jié)合形成精密定位。三爪卡盤與胎具起到夾緊和保護(hù)零件表面的作用。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動器、PLC、智能單元控制系統(tǒng)和傳感器等硬件組成，通信功能由RJ45接口實現(xiàn)[5]。

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為操作層、控制層和執(zhí)行層。其中：操作層主要進(jìn)行B值測定測量、工件入庫等動作；控制層主要進(jìn)行B值計算、存儲與傳輸；執(zhí)行層主要負(fù)責(zé)調(diào)用宏變量中的B值加工。

3.2.2 控制軟件的設(shè)計

控制臺硬件采用西門子TP1200觸摸屏，軟件基于西門子WINCC的構(gòu)架制作。控制軟件中，B軸補償操作系統(tǒng)嵌入到預(yù)裝臺操作系統(tǒng)中。如圖3所示，“當(dāng)前角度值”表示基于零點偏置的角度值，“傳遞角度值”表示當(dāng)前工件綁定的角度值。當(dāng)完成工件補償角度測量之后，“當(dāng)前角度值”顯示的角度值即為正確的補償值，然后點擊綁定按鈕，將補償值綁定到當(dāng)前工件。綁定之后點擊入庫，機器人將當(dāng)前工件放入到相應(yīng)庫位，并將當(dāng)前工件的補償值自動綁定到放入的庫位。當(dāng)機床請求上料時，機器人將工件抓取到上料臺后，自動將補償值傳遞給機床[6]。

3.2.3 控制程序

控制程序主要包含DD馬達(dá)控制程序和B值傳輸程序。其中，DD馬達(dá)程序主要包含馬達(dá)動作程序、脈沖采集程序以及角度計算程序。DD馬達(dá)動作程序通過運動控制軸工藝對象，同時配置軸的單位組態(tài)、軟硬限位、斜坡參數(shù)及回零數(shù)據(jù)等，通過使用相應(yīng)的控制指令實現(xiàn)外部按鈕控制馬達(dá)的啟停、高低速運轉(zhuǎn)以及回零。脈沖采集程序主要用于將馬達(dá)發(fā)給PLC高速脈沖信號進(jìn)行采集并計數(shù)，通過PLC內(nèi)部高速計數(shù)器實時準(zhǔn)確采集脈沖數(shù)，計算當(dāng)前角度值。當(dāng)電機回到零點后，脈沖數(shù)自動清零。通過功能塊CTRL_HSC_EXT來計算脈沖數(shù)，并實時傳輸?shù)较鄳?yīng)的DB塊中；通過CTRL_HSC功能塊來實現(xiàn)脈沖數(shù)的自動清零。角度計算程序主要是將PLC從馬達(dá)采集到的脈沖數(shù)通過計算轉(zhuǎn)換成角度值。當(dāng)前角度值θ的計算方式為：

式中：η為電機分辨率，設(shè)置為每圈18 000脈沖；n為當(dāng)前脈沖數(shù)。

通過PLC內(nèi)部的邏輯運算程序能夠計算出實時角度值傳遞給觸摸屏，從而顯示在人機界面中。B值傳輸程序的主要功能是工件入庫后通過MOVE指令將當(dāng)前工件的角度值綁定給入庫庫位對應(yīng)的DB塊，并在機床請求上料時將此DB塊中存儲的補償值傳遞到機床的宏命令中，待工件由機械手送入機床后，通過調(diào)用宏命令使機床B軸旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的補償值[7]。

4 結(jié)語

綜上所述，四軸臥式加工中心第四軸坐標(biāo)值機外測定與自動補償系統(tǒng)主要利用高精密DD馬達(dá)與PLC控制結(jié)合的方式工作，由人工線外完成工件裝夾、找正，PLC遠(yuǎn)程通信給機床，執(zhí)行智能生產(chǎn)線的B值補償功能指令。該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，具有靈活高效的特點，極大擴(kuò)充了加工中心智能化改造的解決方案。

四軸臥式加工中心第四軸坐標(biāo)值機外測定與自動補償系統(tǒng)充分利用現(xiàn)有設(shè)備的特性，以較少的成本投入解決了行業(yè)內(nèi)普遍存在的四軸臥式加工中心智能化生產(chǎn)線第四軸坐標(biāo)值的測定難題。通過適當(dāng)更改相應(yīng)的硬件工裝和控制算法，四軸臥式加工中心第四軸坐標(biāo)值機外測定與自動補償系統(tǒng)所述的原理和工作流程可推廣到各種類型的加工中心智能生產(chǎn)線，尤其是四軸臥式加工中心智能生產(chǎn)線的建設(shè)中，對具有多項基準(zhǔn)和坐標(biāo)的機外測定自動補償任務(wù)的生產(chǎn)單位有著明顯的作用。該系統(tǒng)的應(yīng)用改變了原有的機內(nèi)調(diào)整基準(zhǔn)的方式，節(jié)省了大量的機內(nèi)調(diào)整時間，對提高機床有效利用率具有重要意義。