陳 華 陳東生 何建國(guó) 吉 方 唐小會(huì) 黃 文

(中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng) 621900)

建立工件坐標(biāo)系、確立工件坐標(biāo)原點(diǎn)相對(duì)機(jī)床坐標(biāo)系的位置，是實(shí)現(xiàn)數(shù)控編程、進(jìn)行自動(dòng)化加工的必要前提［1］。目前數(shù)控機(jī)床加工中仍普遍采用人工手動(dòng)試切對(duì)刀，對(duì)刀精度、自動(dòng)化程度和效率均較低，而且試切對(duì)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(jī)床中配置了對(duì)刀儀等自動(dòng)測(cè)量裝置［2－5］，加工精度和自動(dòng)化程度得以提高，但成本相對(duì)昂貴、且功能比較單一，無(wú)法滿足某些特殊工藝的測(cè)量需求。

本文針對(duì)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(duì)刀測(cè)量技術(shù)，通過(guò)對(duì)刀測(cè)頭信號(hào)處理、驅(qū)動(dòng)程序與對(duì)刀功能模塊設(shè)計(jì)等，較為經(jīng)濟(jì)、高效地實(shí)現(xiàn)了將雷尼紹MCP測(cè)頭與西門子840D數(shù)控系統(tǒng)有機(jī)集成，應(yīng)用于磁流變拋光工藝裝備，滿足拋光工藝對(duì)對(duì)刀測(cè)量功能與測(cè)量精度的需求。

1 應(yīng)用需求分析

在磁流變拋光工藝裝備中，需通過(guò)測(cè)頭對(duì)刀技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工件坐標(biāo)系建立、工件位姿測(cè)量、緞帶標(biāo)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(cè)頭對(duì)刀技術(shù)需滿足以下幾個(gè)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(cè)頭、拋光頭與工件發(fā)生碰撞;

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

(4)成本較低，滿足設(shè)備以較低的成本實(shí)現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，從測(cè)量功能和測(cè)量性能兩方面綜合考慮測(cè)頭對(duì)刀方案，滿足磁流變拋光工藝對(duì)測(cè)頭對(duì)刀測(cè)量技術(shù)的多功能與高性能的工程應(yīng)用需求。

2 對(duì)刀測(cè)量方案設(shè)計(jì)

目前對(duì)刀測(cè)量方法主要包括非接觸式測(cè)量和機(jī)械接觸式測(cè)量?jī)纱箢?。非接觸式測(cè)量具有快速對(duì)刀、可檢測(cè)微細(xì)結(jié)構(gòu)、對(duì)工件無(wú)接觸損傷等優(yōu)點(diǎn)［6－9］，但以激光為代表的非接觸式測(cè)量方式存在對(duì)環(huán)境的敏感性及高成本等局限性，制約其廣泛推廣應(yīng)用。機(jī)械接觸式測(cè)量具有測(cè)量精度高、可靠性高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)［10］，在三坐標(biāo)測(cè)量、逆向工程研究等方面得到廣泛應(yīng)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(cè)量精度較低，且實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三方向?qū)Φ稖y(cè)量的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性降低。因此，選用機(jī)械接觸式測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)對(duì)刀測(cè)量，其測(cè)量原理如圖1所示。測(cè)頭觸碰工件時(shí)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣、整形、濾波后，轉(zhuǎn)換為控制器可識(shí)別處理的信號(hào)，該信號(hào)上升沿觸發(fā)控制器進(jìn)行中斷處理，如記錄當(dāng)前坐標(biāo)值、調(diào)用NC子程序等。

因此，為確保測(cè)頭對(duì)刀滿足測(cè)量精度和可靠性要求，設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮以下幾方面:

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

(2)信號(hào)轉(zhuǎn)換器處理原始信號(hào)響應(yīng)快，即:原始觸發(fā)信號(hào)經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換器處理后輸出信號(hào)，相對(duì)于原始信號(hào)的遲滯時(shí)間短，減少因遲滯導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)方向坐標(biāo)測(cè)量值與實(shí)際值之間的誤差值(可通過(guò)軟件補(bǔ)償);

(3)對(duì)刀測(cè)量程序中需進(jìn)行防碰撞設(shè)計(jì)，以保護(hù)測(cè)頭、拋光頭和工件，確保對(duì)刀測(cè)量過(guò)程可靠進(jìn)行。

根據(jù)以上分析，傳感器測(cè)頭選用雷尼紹MCP測(cè)頭，如圖2所示。該測(cè)頭價(jià)格相對(duì)機(jī)床用測(cè)頭便宜，其重復(fù)定位精度為±1 μm，外接24 V電源、驅(qū)動(dòng)能力為20 mA。該測(cè)頭輸出信號(hào)不能直接輸入到控制器，需經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣、整形、濾波。雷尼紹公司為其測(cè)頭設(shè)計(jì)了接口模塊MI8－4，將測(cè)頭信號(hào)轉(zhuǎn)換成常閉或常開(kāi)觸點(diǎn)信號(hào)。但該接口模塊價(jià)格比較貴。根據(jù)其信號(hào)處理原理，設(shè)計(jì)并定制了信號(hào)處理模塊XH－2，如圖3所示，其成本低于接口模塊MI8－4價(jià)格的1/10。

按照雷尼紹MCP測(cè)頭、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊及西門子840D信號(hào)接口關(guān)系，對(duì)刀測(cè)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(gè)傳感器測(cè)頭信號(hào)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(hào)DB10.DBX107.0 和 DB10.DBX107.1。兩測(cè)頭輸出信號(hào)(傳感器測(cè)頭輸出信號(hào)針腳4和針腳5)通過(guò)測(cè)頭信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行信號(hào)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(cè) DB10.DBX107.0 和 DB10.DBX107.1，判斷測(cè)頭是否產(chǎn)生觸發(fā)上升沿信號(hào);NC程序中分別通過(guò)命令“MEAS=1”和“MEAS=2”，分別實(shí)現(xiàn)測(cè)頭 1、測(cè)頭 2在其觸發(fā)產(chǎn)生上升沿信號(hào)時(shí)記錄當(dāng)前坐標(biāo)值，并跳轉(zhuǎn)當(dāng)前NC程序段。

測(cè)頭對(duì)刀流程如圖5所示，測(cè)頭信號(hào)經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換器、控制器測(cè)頭接口后，控制器循環(huán)掃描檢測(cè)觸發(fā)信號(hào)是否產(chǎn)生。當(dāng)控制器檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)后，NC根據(jù)用戶程序執(zhí)行中斷和跳轉(zhuǎn)。通過(guò)配置系統(tǒng)參數(shù)表，并根據(jù)工藝測(cè)量需求編制NC子程序，實(shí)現(xiàn)工件坐標(biāo)系建立、位姿測(cè)量、緞帶標(biāo)定等各種測(cè)量功能。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1方案可行性驗(yàn)證

在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)中，測(cè)頭對(duì)刀程序主要基于命令“MEAS”。當(dāng)“MEAS=1”時(shí)，測(cè)頭1觸發(fā)的上升沿信號(hào)中斷當(dāng)前運(yùn)行的NC語(yǔ)句，系統(tǒng)記錄并存儲(chǔ)當(dāng)前各軸的坐標(biāo)、速度等相關(guān)參數(shù);當(dāng)“MEAS=2”時(shí)，測(cè)頭2觸發(fā)的上升沿信號(hào)中斷當(dāng)前NC語(yǔ)句，系統(tǒng)記錄并存儲(chǔ)當(dāng)前各軸的坐標(biāo)、速度等相關(guān)參數(shù)。

為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的可行性，考核測(cè)頭的重復(fù)定位精度，設(shè)計(jì)了如下測(cè)頭對(duì)刀NC程序。程序以測(cè)頭1實(shí)現(xiàn)Z向?qū)Φ稙槔?，測(cè)頭1在X向和Y向?qū)Φ?，測(cè)頭2在各向上的對(duì)刀修改相應(yīng)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(cè)頭靈敏度較高，采用了快速粗對(duì)刀、慢速精對(duì)刀的測(cè)量方法，減小測(cè)量信號(hào)響應(yīng)遲滯時(shí)間引入的測(cè)量誤差，以提高其重復(fù)定位精度。

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

3.2 雙測(cè)頭對(duì)刀測(cè)量

在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)中，MEAS命令實(shí)現(xiàn)對(duì)刀測(cè)量?jī)H僅針對(duì)幾何軸運(yùn)動(dòng)有效。當(dāng)NC程序中的對(duì)刀測(cè)量語(yǔ)句中含非幾何軸時(shí)，測(cè)頭觸發(fā)測(cè)量時(shí)產(chǎn)生報(bào)警號(hào)21702(通道測(cè)量段X/X測(cè)量無(wú)效)。根據(jù)西門子DocOnCD資料的解釋，產(chǎn)生該報(bào)警信號(hào)時(shí)由于測(cè)量程序塊已結(jié)束、但激活的測(cè)頭沒(méi)有響應(yīng)，原因?yàn)闇y(cè)量任務(wù)中沒(méi)有程序編制所有的幾何軸，至少有一個(gè)測(cè)量值轉(zhuǎn)換到工件坐標(biāo)系時(shí)丟失。

表1 Z1向測(cè)頭對(duì)刀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)報(bào)警原因分析，出現(xiàn)報(bào)警21702并導(dǎo)致對(duì)刀功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，與幾何軸配置有關(guān)。為實(shí)現(xiàn)雙Z軸的雙測(cè)頭對(duì)刀測(cè)量，需動(dòng)態(tài)修改幾何軸參數(shù)配置，有兩種方法實(shí)現(xiàn)，其一為:在機(jī)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(shí)際操作不可行;方法二為:在NC程序中，執(zhí)行對(duì)刀測(cè)量語(yǔ)句前，通過(guò)命令GEOAX(軸號(hào)N，軸名)，將該測(cè)頭對(duì)應(yīng)的Z軸設(shè)置為幾何軸并立即生效。通過(guò)此方法，回避了因數(shù)控系統(tǒng)無(wú)法在同向上配置雙幾何軸問(wèn)題導(dǎo)致測(cè)頭報(bào)警、無(wú)法順利完成測(cè)頭對(duì)刀測(cè)量的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的測(cè)頭對(duì)刀方案已應(yīng)用于中國(guó)工程物理研究院研制的雙磨頭拋光磁流變拋光機(jī)床，經(jīng)過(guò)一年多時(shí)間的運(yùn)行考核，證明該測(cè)量方案滿足磁流變拋光工藝通過(guò)對(duì)刀工藝建立工件坐標(biāo)系、測(cè)量位姿和標(biāo)定緞帶對(duì)測(cè)量精度和運(yùn)行安全可靠性的應(yīng)用需求。該方案也可應(yīng)用于改造其他數(shù)控機(jī)床，在普通數(shù)控機(jī)床上經(jīng)濟(jì)、高效地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)刀測(cè)量功能。

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