崔永，楊自科

（海克斯康測量技術（青島）有限公司，青島 266000）

1 引言

某高鐵輪對生產(chǎn)商，啟動了包含在機測量等一攬子幾何量測量需求的計劃方案。其中包含其主力加工設備基于Siemens840D powerline 系 統(tǒng) 的DANOBAT 雙 頭 銑 床、DMG 公司的五軸車銑復合加工中心，以及部署在自動產(chǎn)線上同樣基于Siemens840D pl 的雙主軸立式車床等機床類型。客戶需求十分明確，除了常規(guī)的三坐標、輪對檢測專機外，客戶還提出要在輪軸新品生產(chǎn)線的所有主力機床上安裝在機測量軟件，并將其接入已有的Q-das 數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。雙頭銑床結構和軸類零件如圖1、2 所示。

經(jīng)過一輪驗證，Wilcox 公司技術支持團隊確認按照常規(guī)方式，PC-DMIS NC 無法正常支持Siemens840D pl 雙主軸鏜銑床（雙系統(tǒng)、單RJ45）及 Siemens840D 自動線立式車床應用。在無類似案例可以參考的情況下，如何實現(xiàn)軟件接入，并與西門子系統(tǒng)實現(xiàn)兼容成為擺在面前的主要問題。在本需求計劃中，在機測量包為必選方案，所以要實現(xiàn)應用需求，必須先完成軟件接入和系統(tǒng)兼容工作；在本案例中，客戶同意先提供機床，并運行現(xiàn)場調(diào)研測試，經(jīng)過近兩周的全面研究、開發(fā)和測試后，我司制定了滿足客戶需求的實施方案，經(jīng)現(xiàn)場測試達到了客戶預期的技術目標。

圖1 雙頭銑床結構

圖2 軸類零件

2 技術背景和要求

技術背景和技術指標要求包括：每個零件加工前需要確定工件實際基準位置，在更新坐標系后進行加工；在目標機床上對工件指定特征進行測量并出具報告，測量結果同時需要傳輸至Q-das 軟件數(shù)據(jù)庫；系統(tǒng)根據(jù)測量結果，自動更新對應加工該特征使用的刀具信息，及其磨損值，以供精加工使用；確保工件ID 在測量報告中體現(xiàn)，并關聯(lián)Q-das 軟件中對應的存檔；雙頭銑需要使用雙頭分別測量軸的兩端，并在同一坐標系下評價總軸長。機床設備清單見表。

表 設備清單

3 技術分析

（1）加工前找正是在機測量的標準配置，可以通過安裝機床測頭使用宏程序進行坐標查找和坐標系更新（圖3）。

圖3 工件檢測坐標系更新

（2）目前客戶需求的第二項，對于普通銑床來說，比較容易實現(xiàn)，可以通過直接連接PC-DMIS NC 軟件達到要求，但雙頭銑床和車床并非標準支持設備，需要對其進行二次開發(fā)或者修改；測量結果傳輸?shù)絈-das 數(shù)據(jù)庫，可以通過HEXAGON 標準數(shù)據(jù)轉換軟件PCD-Qdas converter 將結果導入到Q-das 軟件中。在PC-DMIS-Q-das Converter 中將NC 格式轉換為Qdas 格式轉換軟件如圖4 所示。

圖4 NC 到Qdas 的格式轉換

（3）系統(tǒng)根據(jù)測量結果自動更新對應的刀補磨損值，可以使用PC-DMIS NC update tool offset 功能來實現(xiàn)。刀具偏置更新設置如圖5 所示。

圖5 刀具偏置更新

由于NC 軟件并非西門子車床的標準支持軟件，在分析客戶技術要求和實際軟件功能實現(xiàn)能力后，可以確定雙頭銑的雙頭如何區(qū)分使用，以及PC-DMIS NC 如何在SIRMU自動線車床上實現(xiàn)校驗和測量，是首先要考慮的兩個問題。雙頭銑床其中一側的主軸（對側主軸與其對稱分布）如圖6所示。

圖6 雙頭銑床其中一側的主軸圖片（對側主軸與與其對稱分布）

4 主要問題分解及其解決方案

4.1 Siemens840D雙頭銑床

（1）通過單個網(wǎng)口實現(xiàn)雙頭銑雙頭測量且可分別輸出雙頭測量結果。

圖7 雙頭銑機床雙通道Siemens 控制系統(tǒng)面板

目前PC-DMIS NC 軟件支持西門子單機測量，但單機雙主軸不是標準支持模式。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)為西門子雙通道系統(tǒng)，兩個主軸分別由一個獨立的通道控制執(zhí)行，但雙通道均基于同一windows 系統(tǒng)，因此本系統(tǒng)中需要以單網(wǎng)口兼容雙通道。雙頭銑機床雙通道Siemens 控制系統(tǒng)面板如圖7 所示。

單網(wǎng)口兼容雙通道是雙頭銑使用NC 軟件達到用戶測量要求的關鍵技術之一。通過查看機床PLC 變量，可以了解到機床系統(tǒng)中，分別對應雙測頭的輸入點為DB10.DBX107.0 和DB10.DBX107.1。由此可知，雙通道使用的測頭跳轉信號是分開的，相應的子程序文件夾也是分開的。

由于雙通道測頭跳轉信號相互獨立，所以可以選擇為系統(tǒng)添加一塊USB 轉RJ45 網(wǎng)卡，將機床原有網(wǎng)卡和新網(wǎng)卡分別設置為不同的IP 地址，可以將此臺機床的兩個通道分別看作是兩臺獨立的機床，進行配置和使用。但這樣客戶需要提高采購成本購買更多的接入點，這顯然降低了方案的性價比。

經(jīng)過對機床和軟件的分析，我們發(fā)現(xiàn)在實際操作過程中，可以通過修改子程序組內(nèi)的兩個子程序PCDMOVE.SPF 和PCDPROBE.SPF 來將兩個通道的主軸運行參數(shù)完全區(qū)分開。在操作過程中，需要修改這兩個子程序的跳轉信號和名稱，并生成兩套獨立的子程序，將其中一組的PCDMOVE.SPF 和PCDPROBE.SPF 兩個子程序分別修改為PCDMOVE2 和PCDPROBE2，并同時將其中對應的通道PRB 變量賦值為2 通道，與此同時可以利用PC-DMIS NC 軟件DMIS 程序，與由其生成的CNC 程序一一對應的關系規(guī)則，完全區(qū)分開測量返回的結果對應的主軸側。兩個主軸可以使用同一CNC SERVER 端口，同時也為后面的軸總長計算提供了方便。第二主軸的子程序內(nèi)容及PC-DMIS NC Server 軟件的配置對應界面如圖8 所示。

圖8 第二主軸子程序內(nèi)容及PC-DMIS NC Server 配置界面

通過以上設置，需要編寫1 通道主軸測量程序時，在主程序中使用PCDMOVE 和PCDPROBE 作為移動指令和觸測指令。需要編寫2 通道主軸測量程序時，則在主程序中自動生成PCDMOVE2 和PCDPROBE2 格式的子程序，且只占用一個IP 通道。至此，理論上已經(jīng)實現(xiàn)了雙頭銑機床的測量需求。

（2）使用雙頭測量結果自動計算并輸出軸的總長數(shù)據(jù)。上述雙主軸測量方案已在得到實現(xiàn)，軸總長如何自動測量并輸出，成為擺在面前的新問題，如果可以應用類似于雙臂CMM 的操作方法，在同一位置的標準球上對兩個主軸分別進行校驗，并在同一機床坐標系下對工件進行測量，則結果可以直接計算得出，但當前條件并不允許。

按照當前方案雙主軸的測量程序不能集中于同一程序中，且在同一程序中，由于無法在同一標準球上校驗雙臂，也很難將測量結果統(tǒng)一于同一坐標系，所以計算結果也不準確。

此時，暫時將PC-DMIS NC 軟件拋開。在PC-DMIS程序運行前，先通過宏程序將軸的總長測量出來，然后使用宏程序寫入變量，再使用PC-DMIS NC 軟件的讀變量功能讀取該變量，寫入最終的測量報告中。

通過現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)以上思路是可行的。在具體操作過程中，首先使用一根“標準長度軸”對雙主軸的兩個測頭進行總長測量校準，即通過使用兩個測頭的刀補2（D2）進行校準。兩個測頭在同一坐標系下測量出坐標后，將其結果相減，并與“標準軸長度”進行比較。再將差值補入其中一個測頭刀補的D2 中（另一個測頭刀補值不變），這樣再次使用兩個測頭在同一坐標系測量“標準軸”總長，并驗證結果是否與“標準軸”總長吻合。如果吻合，則說明宏程序校準完畢，可以用來測量后續(xù)新吊裝加工的軸。通過此方式測量出的軸總長，可以使用宏程序自動寫入PC-DMIS NC 軟件在西門子系統(tǒng)中自建的變量PCD_VAR[1]中，在后續(xù)的PC-DMIS NC 程序中添加如圖9 所示的讀變量指令。

圖9 軟件讀系統(tǒng)變量指令

讀取的指定系統(tǒng)變量值（軸總長）將會自動賦值給變量V1，在下面的構造和評價中V1 定義為軸長實測值。軟件定義變量及構造一般特征及評價界面如圖10 所示。

圖10 軟件定義變量及構造一般特征及評價界面

這樣在程序運行后最終PC-DMIS NC 生成的報告中將會顯示通過宏程序測出的軸總長的測量結果（圖11）。至此，雙頭銑床的技術障礙全部掃清，可進入調(diào)試實施階段。

圖11 含有軸總長的測量結果報告

4.2 SIRMU自動車削線在機測量的實現(xiàn)問題

圖12 SIRMU 車削中心及自動上下料機械手結構

雙頭銑床和五軸車銑復合加工中心這兩類機床，共有的另一個重要問題就是如何將每件工件的條形碼通過掃碼槍錄入系統(tǒng)后，再寫入PC-DMIS 測量報告。

4.2.1 測頭配置和校驗問題

（1）測針配置。為了實現(xiàn)整個車輪側面輪廓和踏面的測量，單項測針顯然無法滿足要求，因此，需要配置兩方向的星型測針，如圖13 所示。

圖13 星型測針配置

（2）測頭校驗。常規(guī)NC 軟件的測頭校驗，均是在標準球上進行觸測補償?shù)?，但標準球中心擺放時很難與虛擬Y軸重合，這會導致紅寶石測球很難以其赤道面與標準球的赤道面接觸，導致最終得到的補償數(shù)據(jù)不準確。針對此問題，我們特設計了一個柱形校驗工具（圖14），使用此工具可減少調(diào)整標準球心位置所消耗的時間且簡單可行。校驗兩個方向測頭的實際校驗路徑如圖15 所示。

圖14 實際測頭配置和特殊定制工具

校驗兩個方向測頭的實際校驗路徑如圖15 所示。

圖15 校驗路徑

由于SIEMENS840Dsl 系統(tǒng)的車床對NC 軟件不提供默認支持，在校驗過程中需要對測頭路徑進行修改，特別是移動點需要特別注意添加位置。修改前后的測頭校驗路徑如圖16 所示。

圖16 移動點修改前后路徑對比圖

由圖16 可以明顯看出路徑修改前，測量第二個半圓前的路徑與標準球體有碰撞干涉交叉點。如果不修改路徑，則測頭和標準球必然會在校驗過程中發(fā)生碰撞，令校驗過程未完成便提前中止。目前測頭定義和校驗問題已解決。

4.2.2 Siemens840D系統(tǒng)中的NC子程序的修改和編寫

傳輸至機床內(nèi)用于NC 軟件使用的Siemens 子程序，在應用過程中也需要由X，Y，Z 坐標運動，更改為適應車床系統(tǒng)的X，Z 運動坐標，具體程序如圖17 所示。

圖17 NC 軟件子程序的變化

4.2.3 編入輪號軸號條形碼

將輪號軸號的條形碼編入PC-DMIS 及Q-das 軟件。由于PC-DMIS NC 安裝于客戶服務器中，無法像單機版本的CMM一樣使用彈出注釋的方式輸入零件編號。因此，需要在了解軟件基本運作模式的前提下，確定條形碼編入的方案。

在自動機械手抓起工件后即掃描其上條形碼，此時軟件可以自動將該條形碼生產(chǎn)一個純文本文件，寫入對應機床的文件夾中（一個機床一個文件夾）。在每個機床測量的PC-DMIS 程序中添加讀取文件指令，在每一次運行測量程序時，自動讀取掃碼槍生成的文本文件中的零件編號，然后自動將該文件刪除（保證每次文件夾中條形碼是唯一的），PC-DMIS 程序讀入零件編號后，會自動寫入Qdas可以識別的dfq 文件并在報告的對應位置中顯示。程序如圖18 所示。

圖18 讀取文件指令

通過PC-DMIS 本身的文件讀寫功能，解決了每件零件使用同一程序，但需要出不同編號報告的問題。經(jīng)現(xiàn)場反復調(diào)試，最終形成可應用于SIRMU 自動車削生產(chǎn)線上的NC 軟件測量方案。由于子程序的測試修改過程復雜，很多涉及西門子系統(tǒng)參數(shù)的內(nèi)容不屬于此方案重點，在此不作詳述。

5 技術實現(xiàn)過程

5.1 PC-DMIS NC軟件運行簡介

該技術方案主要是基于HEXAGON 的PC-DMIS NC server 軟件來實現(xiàn)的，因此，需要簡單地介紹一下PC-DMIS NC server 的軟件架構和運行方式。CNC Server 為數(shù)據(jù)服務軟件，提供機床定義、NC 程序傳輸和開啟PC-DMIS功能。PC-DMIS 軟件負責測頭定義校驗、編寫測量程序、傳輸結果和生成報告功能。PC-DMIS NC server軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)結構如圖19 所示，NC server 軟件界面如圖20 所示，PC-DMIS 編程界面如圖21 所示。

圖19 PC-DMIS NC server 軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)結構

圖20 NC server 軟件界面

圖21 PC-DMIS 編程界面

CNC Server 定義對應機床后，每個端口均設置對應機床的IP 地址，由此，CNC server 軟件可以與局域網(wǎng)內(nèi)的機床進行實時通訊，也就是說一個服務器端可以管理和控制多臺機床的測量程序運行，對于每臺機床，則使用PCDMIS 軟件進行編寫測量程序，程序編寫完畢即可加入機床對應的坐標系。使用創(chuàng)建CNC 程序功能，通過后置處理來生成對應機床的CNC 程序，將該程序傳輸至機床。然后，在機床內(nèi)運行該CNC 程序，測量結果會寫入指定的文件中。程序運行完畢后，CNC server 即獲取測量完畢信號，將測量結果文件放置到PC-DMIS 內(nèi)進行補償分析，最終生成測量報告。

以上就是PC-DMIS NC Server 軟件運行的完整過程，在分析了應用問題，并了解了軟件運行機制后，下文將詳細討論如何使用該系統(tǒng)來完成用戶的測量要求的過程。

5.2雙頭銑床的在機測量功能實現(xiàn)方案

（1）硬件配置：IRP25.50 紅外線測頭；IRR91.50 紅外線接收器；測針；標準球。

（2）軟件配置：PC-DMIS NC server；PC-DMIS-Qdas Converter。

（3）工件找正分中：使用Siemens 宏程序編寫測量軸基準的測量程序，該程序可以在加工每一工件前，從加工程序中自動調(diào)用，并測量預設軸上的初定位基準。然后該程序可以根據(jù)測量結果，自動更新加工軸在該側對應的加工坐標系，這樣加工程序會調(diào)用最新的工件位置加工，從而使加工更精準。

同時，使用宏程序將測量軸總長的代碼也編寫到了該程序中。加工程序調(diào)用該程序后，會自動更新目標加工坐標系，并測量軸的總長，寫入指定變量內(nèi)，以便后面PCDMIS 程序讀取，并寫入最終測量報告。

（4）編寫PC-DMIS 測量程序并運行測量程序：校驗測頭；使用PC-DMIS 軟件編寫測量軸端部特征的程序、測量圓、測量點、構造圓和評價；加入調(diào)用PC-DMIS-Q-das Converter 軟件的外部命令，如圖22 所示。

圖22 插入PC-DMIS Q-das Converter 外部命令

插入該指令后，在PC-DMIS 軟件分析結果時，會自動打開PC-DMIS Q-das Converter 軟件并對測量結果進行搜索，集中存入dfq 文件。Q-das 軟件監(jiān)控到此文件存在時，會立即抓取，并將PC-DMIS 的結果文件自動寫入Q-das 數(shù)據(jù)庫中。

（1）插入更改刀補指令：

CNC/UPDATETOOLOFFSET,PNT1.Z,CIRL.D,update.wrk,01234,l

該指令將1 號刀的刀長與特征PNT1 的Z 坐標關聯(lián)在一起。如果PNT1 的Z 坐標偏差為0.02，則當程序執(zhí)行完畢后，1 號刀的磨損值將會自動減少0.02，在加工下一件工件時將會自動補償加工誤差，大幅減少由于刀具參數(shù)初始設置而導致的偏差量。

（2）加入工件坐標系：

CNC/USEWORKOFFSET,G55,STARTUP,<0,0,0>,<0,0,0>

該指令是建立CMM 坐標系的過程，給PC-DMIS 生成的CNC 程序加入工件坐標系G55，程序將直接調(diào)用機床G55 坐標系對工件進行測量。

（3）讀取變量將總軸長寫入PC-DMIS 測量結果報告。

（4）輸出測量電子報告。

（5）軸兩端的特征分別通過兩個程序測量，分別出具兩份測量報告，報告注釋左端和右端。

5.3 SIRMU車削自動生產(chǎn)線的在機測量功能

SIRMU 車削自動生產(chǎn)線與雙頭銑加工中心均基于Siemens840D powerline 系統(tǒng)，在機測量功能也基本一致。不同的是星型測針的使用，掃描側面輪廓度的方法，以及踏面直徑的測量。前兩者對于PC-DMIS 是很常規(guī)的操作，在此不作贅述，下面主要說明測量踏面直徑的方法。

在車床上操作直徑測量的方法與加工中心環(huán)境不同，不能直接在圓面的不同位置上采點，然后直接求圓心和直徑。自動生產(chǎn)線立式車床只有X 軸一個水平可移動軸。因此，需將紅寶石測球中心調(diào)整到過虛擬Y 軸零點，沿圓的直徑方向測出一點，然后根據(jù)已知圓心進行計算，得出該圓直徑。在PC-DMIS 中進行編程如圖23 所示，測量報告如圖24 所示。

圖23 車床踏面直徑測量編程

圖24 車踏面直徑測量報告

6 結語

至此，此項目所有的技術問題均已解決，一個完全滿足高鐵輪對檢測的車間現(xiàn)場質量控制方案形成。此應用中的在機測量方案，利用機床測頭和相應的在機測量軟件PCDMIS NC，配合Q-DAS 統(tǒng)計分析軟件，解決了輪軸等批量零件實時加工制造過程中的監(jiān)控及閉環(huán)控制等實際問題，切實提高了輪軸零件的加工精度和生產(chǎn)效率，目前該方案已經(jīng)在國內(nèi)類似行業(yè)得到了推廣應用，為制造業(yè)的智能化轉型升級提供了支持。