唐 智 訾文良

(東華大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 201620)

接觸式測頭是性能優(yōu)異的機內(nèi)測量裝備，廣泛運用于高檔數(shù)控機床中。無論是單機，還是柔性化產(chǎn)線，測頭都能在加工的設(shè)定、工作及檢測環(huán)節(jié)中，執(zhí)行安全、精確、高效的測量任務(wù)，切實降低質(zhì)量風(fēng)險，提升加工效率[1]。在使用模塊化刀柄的車削、銑削加工中，及帶有閉環(huán)驅(qū)動U軸(附件頭或特殊刀具)的鏜孔加工中，數(shù)控系統(tǒng)能根據(jù)測頭的結(jié)果數(shù)據(jù)，對刀具偏移進行補償，實現(xiàn)智能加工。但數(shù)控加工環(huán)境復(fù)雜，測頭沒有自我檢測與清潔功能。一旦被污損，會造成測量誤差，給持續(xù)的自動化生產(chǎn)帶來難以追溯的嚴重質(zhì)量事故。

本文以配置了西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)的德國Heckert 1600 Athletic臥式加工中心為例，通過對刀具管理功能、測量循環(huán)及數(shù)據(jù)共享循環(huán)的運用，實現(xiàn)了對Renishaw OMP60測頭的誤差監(jiān)測，與測量結(jié)果數(shù)據(jù)的即時自動上傳，賦予了測頭的物聯(lián)化屬性。實時發(fā)現(xiàn)測頭誤差并及時調(diào)整，能夠避免相關(guān)的過程質(zhì)量事故發(fā)生[2]。即時記錄并向網(wǎng)絡(luò)上傳的測量結(jié)果數(shù)據(jù)，是加工過程數(shù)據(jù)的重要組成部分，可用于進一步的工藝研究與決策優(yōu)化[3-4]。

1 準(zhǔn)備與標(biāo)定

將測頭裝入機床刀庫前，要在對刀儀上通過檢測，確保精度的最佳狀態(tài)。首次在機床上使用測頭時，要借助環(huán)規(guī)與校準(zhǔn)循環(huán)對測頭進行標(biāo)定。

1.1 跳動與刀長

測頭本體由刀柄、機身和測針3部分組成，通過銷定位，再由螺栓固定，如圖1所示[5]。

測頭安裝完成后，需要調(diào)整偏擺精度并測量刀長[5]。使用對刀儀回轉(zhuǎn)測量測針頂部紅寶石球頭的徑向跳動，通過調(diào)節(jié)機身上的4顆螺栓(老款為3顆)，將偏差控制在5 μm內(nèi)后鎖緊。再測量刀柄法蘭到測頭頂部的距離，記為刀長，如圖2所示。

1.2 測頭激活

大部分測頭用戶在購買機床時選配，機床廠家完成了接收器安裝、PLC程序?qū)懭胍约皽y量循環(huán)授權(quán)。少數(shù)用戶選擇后期自行加裝，需自行完成上述安裝與調(diào)試工作[6]。

正確裝入電池后，測頭上的LED燈會使用不同顏色的光信號來表達設(shè)定，然后進入待機模式[5]。激活測頭，有4種常見方法[5]。刀柄激活是指測頭刀柄上設(shè)置有一個機械開關(guān)。旋轉(zhuǎn)激活是指通過測頭內(nèi)置陀螺儀，識別主軸的旋轉(zhuǎn)行為來開啟或關(guān)閉。旋轉(zhuǎn)激活有利于測頭的自我清潔，但耗時多。電波激活用于RMP系列測頭，光波激活用于OMP系列測頭，都通過M指令控制。

1.3 測頭標(biāo)定

測針頂部的紅寶石球頭，是測頭與工件接觸的部分。等同刀具，測量結(jié)果的位置數(shù)據(jù)實際需要刀柄中心的位置，測頭需要考慮球頭的半徑。首次使用測頭前，更換測針或調(diào)整測頭精度后，需要借助環(huán)規(guī)，使用標(biāo)定循環(huán)CYCLE976向機床參數(shù)表寫入測頭五向補償值[5]。老版西門子840D Powerline數(shù)控系統(tǒng)中，測頭的補償參數(shù)保存在全局用戶數(shù)組GUD6的_WP[]字段內(nèi)[7]。新版西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)中，取消了GUD功能塊，改用機床參數(shù)下用戶數(shù)組的54600字段[8]。圖3展示了使用環(huán)規(guī)在Heckert 1600 Athletic臥式加工中心內(nèi)標(biāo)定測頭五向補償值的應(yīng)用。

2 誤差原理與監(jiān)測邏輯

機床工作空間內(nèi)的切削液、油污與鐵屑為常規(guī)污染源。工件上、換刀機構(gòu)上、刀庫內(nèi)，都粘附有污物，測頭隨時有被污染的風(fēng)險，因此需要一種即時的監(jiān)測方法。

2.1 測頭的誤差模式

Renishaw OMP60測頭的觸發(fā)原理基于開路監(jiān)測，當(dāng)連接測針根部的傳感器在角向或軸向受力超過設(shè)定值時，觸發(fā)回路即斷開。測針頂部的紅寶石球頭，是與工件接觸的零件。實際使用經(jīng)驗得知，球頭發(fā)生局部污損，或測針由于未知原因產(chǎn)生變形，是測頭誤差形成的兩大主因。污損增加了球頭的局部半徑，而變形使球心位置偏離。圖4展示了球心偏離的誤差模式。

2.2 誤差監(jiān)測邏輯

測量循環(huán)已經(jīng)包含了計算公式，只需要選擇測量功能，并輸入合適的初始參數(shù)，就能從OVR參數(shù)讀取結(jié)果數(shù)據(jù)。但計算公式是設(shè)計與優(yōu)化測頭誤差監(jiān)測邏輯的原理，必須有所了解。

首先，我們總結(jié)常用的測量計算公式，如表1所示。

表1 測量常用計算公式

然后，我們對比單向測頭與3D測頭的原理差異。單向測頭始終以球頭上的單一觸點測量，測量方向改變時，主軸需根據(jù)法向轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度。3D測頭可以球頭上的任意觸點測量，無需轉(zhuǎn)動主軸。3D測頭可以同時作為單向測頭使用，但是需要分別進行標(biāo)定。當(dāng)測頭出現(xiàn)誤差時，分別以兩種模式測量同一特征，會得出不同的計算結(jié)果。

當(dāng)單向測頭發(fā)生正向偏移xt,沿正向測量時的位置結(jié)果會減小xt。沿負向測量需要先旋轉(zhuǎn)測頭，正向偏移xt變?yōu)樨撓蚱疲恢媒Y(jié)果變?yōu)樵龃髕t。3D測頭偏移有xt與yt兩個方向的分量，由于測量期間不旋轉(zhuǎn)測頭，正負兩個方向上的誤差方向保持不變。圖5與圖6比較了兩種測頭的一點測量誤差。

二點測量是一點測量的連續(xù)應(yīng)用。單向測頭的旋轉(zhuǎn)行為抵消了位置偏移，但尺寸偏差加倍。3D測頭不旋轉(zhuǎn)，位置結(jié)果的偏差等于測量方向上的偏移分量，但尺寸能保持準(zhǔn)確。根據(jù)斜率和角度計算公式可知，測頭偏移對其沒有影響。圖7與圖8比較了兩種測頭的二點測量誤差。

三點測量的主要用途為測圓與圓弧，偏移了的單向測頭與3D測頭依舊有著不同表現(xiàn)。單向測頭的旋轉(zhuǎn)行為抵消了位置偏移，尺寸偏差卻加倍了。3D測頭的位置結(jié)果與偏移方向相反，數(shù)值相同，而尺寸結(jié)果穩(wěn)定。圖9與圖10比較了兩種測頭的三點測量誤差。

四點測量原理為二點測量的綜合應(yīng)用，因此繼承了其誤差模式。單向測頭僅能保持位置結(jié)果精度，3D測頭僅能保持尺寸結(jié)果精度。根據(jù)四個觸點數(shù)據(jù)使用三點法計算圓心位置與圓半徑平均值的方法并不常用。

另外，使用偏移了的測頭測量圓與圓弧，偏移沿測量方向之外的分量，會引起測量結(jié)果尺寸值減小。大部分情況下，偏移都是輕微的。

球頭局部污損與測針變形在兩種模式下的誤差表現(xiàn)有所不同。根據(jù)上述測頭誤差模式的總結(jié)，結(jié)合表1中的計算公式，容易推導(dǎo)出各項測量功能的誤差表現(xiàn)，如表2所示。

表2 測量誤差表現(xiàn)

最后，我們設(shè)計測頭誤差監(jiān)測邏輯。測量同一特征，當(dāng)測頭單向與多向模式測量結(jié)果差超過設(shè)定值時，判定為測頭故障并暫停加工，如圖11所示。

2.3 刀具管理與監(jiān)測程序

要在同一測頭上使用兩種模式，必須在刀具清單內(nèi)進行正確的設(shè)置。在西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)的刀具管理界面中，添加一把刀具的D1，選擇3D測頭，然后在同一刀號下添加D2，選擇單向測頭，如圖12所示。

由于單向測頭與3D測頭應(yīng)用的算法不同，需分別進行標(biāo)定，并將數(shù)據(jù)保存到用戶參數(shù)組內(nèi)。如使用Shopmill功能編輯測頭的程序，測量循環(huán)字段會被高亮標(biāo)記，按右箭頭可以使用圖形化界面完成編輯。以四點測圓為例，設(shè)計監(jiān)測程序，如圖13所示。

當(dāng)變量R20、R21或R22內(nèi)的測量結(jié)果比較值超過容差值0.05，加工程序中斷并提示，如圖14所示。

3 測頭過程數(shù)據(jù)上傳

實現(xiàn)智能制造，需要海量過程數(shù)據(jù)的支持。測頭的測量結(jié)果與狀態(tài)數(shù)據(jù)，是加工過程質(zhì)量數(shù)據(jù)中的重要一環(huán)[9]。集成所有硬件通信的總線不易開發(fā)，OPC UA通信接口許可價格昂貴，IOT法則簡單許多。使用西門子840D sl系統(tǒng)自帶的“Process DataShare”功能，能自動記錄與上傳數(shù)據(jù)日志，經(jīng)濟且易于實施[10-11]。

3.1 定義數(shù)據(jù)格式

為了實現(xiàn)持續(xù)的數(shù)據(jù)記錄，我們需要定義測量日志的標(biāo)準(zhǔn)格式，適應(yīng)上位機采集數(shù)據(jù)并保存到制造信息數(shù)據(jù)庫的需求。根據(jù)實際使用需求，我們定義了測量數(shù)據(jù)記錄格式，如表3所示。

表3 測量數(shù)據(jù)格式

靈活運用變量，使用“Write”循環(huán)編程，容易得到圖15與圖16中的程序段。

運行日志書寫程序后，可得到圖17中創(chuàng)建的日志文件。實踐中，變量可以靈活定制，格式也可根據(jù)不同數(shù)據(jù)庫API的要求修改。

3.2 上傳程序的方法

使用“Process Datashare”功能，易將加工中的過程數(shù)據(jù)以日志形式保存到指定位置的文件內(nèi)。

首先，要設(shè)置盤符與權(quán)限。在上位機或網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)盤符或地址上創(chuàng)建好路徑，添加用戶“Everyone”，給予完全控制權(quán)限，并對應(yīng)到路徑權(quán)限。使用高級共享功能，將該路徑命名并索引，以便直接檢索。

然后，將NCU的X130網(wǎng)口接入上位機或局域網(wǎng)，并修改CF卡上的配置文件extdev.ini，增加網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器與文件名，如圖18中的示例。

最后，使用“Process Datashare”功能輸出日志，程序格式如圖19所示。

日志輸出中使用了三個循環(huán)，他們的變量及使用方法請參考編程說明書[11]。

3.3 測頭過程數(shù)據(jù)的應(yīng)用舉例

在工藝研究中運用測頭數(shù)據(jù)自動記錄，使準(zhǔn)確性與說服力大幅提升，有效輔助決策。例如，在液壓機模板加工中，導(dǎo)柱孔精鏜工藝的難度大，時間長，質(zhì)量風(fēng)險最高。根據(jù)正交法，編寫不同線速度的程序完成測試，使用測頭分別測量并記錄不同深度的孔徑，處理數(shù)據(jù)后，易得到圖20中的簇狀圖標(biāo)。借助圖形化技術(shù)，不同線速度下，刀具磨損引起的直徑變化規(guī)律直觀可見。

4 結(jié)語

接觸式測頭在多軸高精度數(shù)控機械加工中，將得到更廣泛的應(yīng)用。本文介紹了測頭的基礎(chǔ)知識、誤差識別技術(shù)與數(shù)據(jù)上傳過程，能幫助使用者快速上手，有效降低質(zhì)量風(fēng)險。以低成本實現(xiàn)簡單的加工過程數(shù)據(jù)采集功能的技術(shù)途徑，對于小型企業(yè)實現(xiàn)輕型智能制造，有著重要意義。