顧紅光，謝春軼

沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 遼寧沈陽(yáng) 110142

1 序言

隨著制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展也是日新月異，高速化、高精化、智能化、復(fù)合化和自動(dòng)化成為數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)和方向，同時(shí)機(jī)床加工效率也一直是用戶的主要關(guān)注點(diǎn)[1]。在汽車(chē)車(chē)橋件加工中有一特點(diǎn)，車(chē)橋兩端面有一定的傾角，在進(jìn)行車(chē)橋端面加工時(shí)要先確定傾角的大小，判定是否超差，若未超差則確定端面的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行加工。傳統(tǒng)方法為在刀庫(kù)中放入無(wú)線測(cè)量裝置，當(dāng)需要進(jìn)行測(cè)量時(shí)，通過(guò)刀庫(kù)換刀將測(cè)頭換到主軸上，使坐標(biāo)軸移動(dòng)測(cè)頭接觸工件端面，然后應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)的高速跳轉(zhuǎn)測(cè)量功能記錄當(dāng)前坐標(biāo)值，再多次移動(dòng)坐標(biāo)軸進(jìn)行其他點(diǎn)位的測(cè)量，根據(jù)多點(diǎn)測(cè)量記錄的坐標(biāo)值計(jì)算得出工件端面傾角。此種方法需要多點(diǎn)多次移動(dòng)坐標(biāo)軸測(cè)量，增加了機(jī)床加工節(jié)拍，降低了加工效率。本文采用總線式位移傳感器進(jìn)行一次測(cè)量得出多點(diǎn)數(shù)據(jù)，減少了多次測(cè)量移動(dòng)坐標(biāo)軸的時(shí)間，提高了加工效率。

2 總線式位移傳感器介紹

本文案例是基于基恩士GT2系列總線式位移傳感器進(jìn)行位置測(cè)量，總線式位移傳感器由探頭、放大器模塊和通信模塊組成。

探頭為可伸縮接觸式傳感器，使用超清晰CMOS傳感器進(jìn)行高速拍攝，通過(guò)刻有因位置而異的縫口圖形的“絕對(duì)值刻度尺”讀取其移動(dòng)量，擁有同級(jí)超高精度，即使高速移動(dòng)也不產(chǎn)生追蹤誤差，測(cè)量精度可達(dá)1μm，探頭前端伸縮量為10mm。放大器模塊用來(lái)接收傳感器的信號(hào)并進(jìn)行處理，每個(gè)放大器模塊可連接一個(gè)探頭。通信模塊是用來(lái)與外部設(shè)備進(jìn)行總線通信的模塊，一個(gè)通信模塊最多可以連接15個(gè)放大器模塊，可支持Profinet、Profibus、CC-Link、DeviceNet和EtherNet/IP等主流通信協(xié)議[2]。傳感器組成如圖1所示。

圖1 傳感器組成

3 整體應(yīng)用方案

本文案例中的機(jī)床配備西門(mén)子828D數(shù)控系統(tǒng)，由于數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性較差，不能直接與第三方總線設(shè)備進(jìn)行通信，因此數(shù)控系統(tǒng)與總線式位移傳感器之間的通信需要借助西門(mén)子的S7 1200 PLC來(lái)進(jìn)行中轉(zhuǎn)。西門(mén)子828D數(shù)控系統(tǒng)與S7 1200 PLC之間可進(jìn)行S7連接，S7 1200 PLC可組態(tài)GT2總線式位移傳感器，系統(tǒng)連接如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)連接示意

車(chē)橋端面傾角可通過(guò)4個(gè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)計(jì)算得出，應(yīng)用4個(gè)基恩士測(cè)頭進(jìn)行一次測(cè)量即可[3]。首先將4個(gè)探頭固定在支架上，然后做好測(cè)頭防護(hù)裝置，整體安裝在主軸側(cè)上方，保證加工時(shí)不與工件干涉。如果工件端面徑向尺寸較大，則可以加一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置控制測(cè)頭的伸出和退回，測(cè)量時(shí)測(cè)頭伸出，工件加工時(shí)測(cè)頭退回到安全位置，以避免干涉。驅(qū)動(dòng)裝置最好選用伺服驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行會(huì)更平穩(wěn)，精度穩(wěn)定性高。4點(diǎn)測(cè)頭的安裝、結(jié)構(gòu)和測(cè)量如圖3～圖5所示。

圖3 4點(diǎn)測(cè)頭整體安裝示意

圖4 4點(diǎn)測(cè)頭結(jié)構(gòu)

圖5 4點(diǎn)測(cè)頭測(cè)量示意

由圖4和圖5可看出，4點(diǎn)測(cè)頭在后端支架的前端設(shè)有前端支架，后端支架與機(jī)床主軸箱連接；前端支架上設(shè)有4個(gè)傳動(dòng)桿后座，與傳動(dòng)桿同軸連接，傳動(dòng)桿后座內(nèi)具有彈簧復(fù)位裝置；在前端支架與后端支架間設(shè)有內(nèi)部支架，內(nèi)部支架上設(shè)有與傳動(dòng)桿位置對(duì)應(yīng)的壓縮式檢測(cè)頭，傳動(dòng)桿的末端依次穿過(guò)傳動(dòng)桿后座和前端支架，并與壓縮式檢測(cè)頭連接。4個(gè)檢測(cè)頭呈矩形分布，通過(guò)壓縮量的不同，可以計(jì)算接觸面的傾斜角度，因此也可根據(jù)實(shí)際需要，用于檢驗(yàn)前序焊接角度是否合格，或者自動(dòng)上下料時(shí)判斷有無(wú)工件等。

傾斜角度計(jì)算如圖6所示，其中a1為測(cè)量點(diǎn)1與測(cè)量點(diǎn)3的壓量差值，b1為測(cè)量點(diǎn)1與測(cè)量點(diǎn)2的壓量差值，h1為測(cè)量點(diǎn)1與測(cè)量點(diǎn)3的縱坐標(biāo)差值，h2為測(cè)量點(diǎn)1與測(cè)量點(diǎn)2的橫坐標(biāo)差值。則前束角α1＝arctan（a1/h1），外傾角β1＝arctan（b1/h2）。

圖6 傾斜角度計(jì)算

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)需要加工某種車(chē)橋零件時(shí)，首先需要找一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件，探頭移動(dòng)到工件端面，保證與工件端面接觸時(shí)探頭在壓縮行程中間位置（5mm左右），系統(tǒng)記錄4個(gè)傳感器位置，計(jì)算出端面傾斜角度。之后每次測(cè)量時(shí)以此傾斜角為基準(zhǔn)進(jìn)行判斷，設(shè)定超差值，當(dāng)超出設(shè)定值時(shí)，判定工件超差，停止加工；當(dāng)測(cè)量數(shù)值在公差范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)按測(cè)量數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)值的差值進(jìn)行基準(zhǔn)加工。

4 程序控制

（1）S7 1200 PLC與傳感器間的通信及數(shù)據(jù) 讀取 本文中應(yīng)用西門(mén)子S7 1200 PLC的1211C系列，PLC與傳感器間采用PROFINET總線通信，應(yīng)用博圖軟件進(jìn)行傳感器的組態(tài)，S7 1200 PLC的設(shè)置及程序控制如圖7所示。

圖7 S7 1200 PLC的設(shè)置及程序控制

（2）S7 1200 PLC與828D系統(tǒng)間的通信及數(shù)據(jù)傳輸 S7 1200 PLC與西門(mén)子828D系統(tǒng)之間采用的是S7協(xié)議連接，S7以太網(wǎng)通信協(xié)議主要是將PLC連接到PC站?？赏ㄟ^(guò)GET、PUT等指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，在GET、PUT指令中設(shè)置兩個(gè)通信設(shè)備的以太網(wǎng)地址。此例中10.32.46.117為S7 1200 PLC的地址，10.32.46.120為西門(mén)子828D系統(tǒng)的地址，具體的S7連接設(shè)置如圖8所示。

圖8 S7 1200 PLC與828D系統(tǒng)間的S7連接設(shè)置

S7 1200 PLC發(fā)送數(shù)據(jù)給828D系統(tǒng)如圖9所示，“PUT_DB”中“M120”“M124”“M128”“M132”為S7 1200 PLC對(duì)接收的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后的存儲(chǔ)地址。通過(guò)PUT指令傳送給828D系統(tǒng)，828D系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的地址為“DB9061.DBX0”“DB9061.DBX4”“DB9061.DBX8”“DB9061.DBX12”。

S7 1200 PLC接收828D系統(tǒng)數(shù)據(jù)如圖10所示，為GET指令。S7 1200 PLC接收828D系統(tǒng)的測(cè)量指令地址為“DB9062.DBX0”，對(duì)應(yīng)P L C地址為“Q96”。S7 1200 PLC只負(fù)責(zé)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，基于標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)據(jù)超差等分析由828D系統(tǒng)處理，828D系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理這里不再做說(shuō)明。

圖10 S7 1200 PLC接收828D系統(tǒng)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)工件端面傾斜角度測(cè)量加工進(jìn)行研究，用4點(diǎn)測(cè)頭代替單點(diǎn)測(cè)頭，一次測(cè)量得出4點(diǎn)數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了測(cè)量時(shí)間，提高了加工效率。另外，相比于價(jià)格昂貴的測(cè)頭，本文采用基恩士總線位移傳感器進(jìn)行工件測(cè)量，在滿足精度的同時(shí)也節(jié)省了成本。此方案已在本公司設(shè)備上多次使用，技術(shù)成熟，得到了客戶的認(rèn)可，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。