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有限公司，鄭州 451000）

1 技術背景

四軸臥式加工中心通過在原三軸加工中心的基礎上加裝回轉(zhuǎn)工作臺，并在回轉(zhuǎn)工作臺末端設置三爪卡盤等夾具，實現(xiàn)對零件的裝夾和加工[1]。四軸臥式加工中心生產(chǎn)線進行智能化改造之后，實現(xiàn)了自動上、下料，操作員只需在預調(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，所以無法確定工件在機床坐標系第四軸上的坐標值（下文B值同義），也就無法保證工件待加工平面與機床XY平面基準的統(tǒng)一[2]。因此，需測定待加工面的坐標值，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)精密加工測量的設備非常昂貴，嚴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值機外測定與自動補償系統(tǒng)的關鍵問題是機外裝夾后確定工件待加工面在對應機床第四軸的基準。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。零件在機外預調(diào)臺測定時，在待加工面打表，通過調(diào)節(jié)馬達轉(zhuǎn)動角度，將待加工面調(diào)至相對千分表導軌平行的位置，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馬達進行坐標值測定，測定完成后在控制臺進行入庫操作，并將B值與工件綁定。當機床進行上料請求時，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 硬件結構設計

硬件結構主要由預調(diào)臺（如圖1所示）和工裝夾具（如圖2所示）兩部分組成。其中：預調(diào)臺由預調(diào)臺面、DD馬達、零點定位器、導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，并給PLC發(fā)出上料指令；DD馬達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)整到與千分表導軌基準重合的位置。

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軸上的定位器結合形成精密定位。三爪卡盤與胎具起到夾緊和保護零件表面的作用。

3.2 控制系統(tǒng)設計

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)絡架構

網(wǎng)絡架構分為操作層、控制層和執(zhí)行層。其中：操作層主要進行B值測定測量、工件入庫等動作；控制層主要進行B值計算、存儲與傳輸；執(zhí)行層主要負責調(diào)用宏變量中的B值加工。

3.2.2 控制軟件的設計

控制臺硬件采用西門子TP1200觸摸屏，軟件基于西門子WINCC的構架制作?？刂栖浖?，B軸補償操作系統(tǒng)嵌入到預裝臺操作系統(tǒng)中。如圖3所示，“當前角度值”表示基于零點偏置的角度值，“傳遞角度值”表示當前工件綁定的角度值。當完成工件補償角度測量之后，“當前角度值”顯示的角度值即為正確的補償值，然后點擊綁定按鈕，將補償值綁定到當前工件。綁定之后點擊入庫，機器人將當前工件放入到相應庫位，并將當前工件的補償值自動綁定到放入的庫位。當機床請求上料時，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馬達控制程序和B值傳輸程序。其中，DD馬達程序主要包含馬達動作程序、脈沖采集程序以及角度計算程序。DD馬達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，通過使用相應的控制指令實現(xiàn)外部按鈕控制馬達的啟停、高低速運轉(zhuǎn)以及回零。脈沖采集程序主要用于將馬達發(fā)給PLC高速脈沖信號進行采集并計數(shù)，通過PLC內(nèi)部高速計數(shù)器實時準確采集脈沖數(shù)，計算當前角度值。當電機回到零點后，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腄B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從馬達采集到的脈沖數(shù)通過計算轉(zhuǎn)換成角度值。當前角度值θ的計算方式為：

式中：η為電機分辨率，設置為每圈18 000脈沖；n為當前脈沖數(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指令將當前工件的角度值綁定給入庫庫位對應的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)相應的補償值[7]。

4 結語

綜上所述，四軸臥式加工中心第四軸坐標值機外測定與自動補償系統(tǒng)主要利用高精密DD馬達與PLC控制結合的方式工作，由人工線外完成工件裝夾、找正，PLC遠程通信給機床，執(zhí)行智能生產(chǎn)線的B值補償功能指令。該系統(tǒng)在實際應用中，具有靈活高效的特點，極大擴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值機外測定與自動補償系統(tǒng)充分利用現(xiàn)有設備的特性，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)線第四軸坐標值的測定難題。通過適當更改相應的硬件工裝和控制算法，四軸臥式加工中心第四軸坐標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)線的建設中，對具有多項基準和坐標的機外測定自動補償任務的生產(chǎn)單位有著明顯的作用。該系統(tǒng)的應用改變了原有的機內(nèi)調(diào)整基準的方式，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。