基于西門子840D sl數控系統的測頭誤差監測及數據上傳*

唐 智 訾文良

(東華大學機械工程學院，上海 201620)

接觸式測頭是性能優異的機內測量裝備，廣泛運用于高檔數控機床中。無論是單機，還是柔性化產線，測頭都能在加工的設定、工作及檢測環節中，執行安全、精確、高效的測量任務，切實降低質量風險，提升加工效率[1]。在使用模塊化刀柄的車削、銑削加工中，及帶有閉環驅動U軸(附件頭或特殊刀具)的鏜孔加工中，數控系統能根據測頭的結果數據，對刀具偏移進行補償，實現智能加工。但數控加工環境復雜，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，給持續的自動化生產帶來難以追溯的嚴重質量事故。

本文以配置了西門子840D sl數控系統的德國Heckert 1600 Athletic臥式加工中心為例，通過對刀具管理功能、測量循環及數據共享循環的運用，實現了對Renishaw OMP60測頭的誤差監測，與測量結果數據的即時自動上傳，賦予了測頭的物聯化屬性。實時發現測頭誤差并及時調整，能夠避免相關的過程質量事故發生[2]。即時記錄并向網絡上傳的測量結果數據，是加工過程數據的重要組成部分，可用于進一步的工藝研究與決策優化[3-4]。

1 準備與標定

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。首次在機床上使用測頭時，要借助環規與校準循環對測頭進行標定。

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，需要調整偏擺精度并測量刀長[5]。使用對刀儀回轉測量測針頂部紅寶石球頭的徑向跳動，通過調節機身上的4顆螺栓(老款為3顆)，將偏差控制在5 μm內后鎖緊。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程序寫入以及測量循環授權。少數用戶選擇后期自行加裝，需自行完成上述安裝與調試工作[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置有一個機械開關。旋轉激活是指通過測頭內置陀螺儀，識別主軸的旋轉行為來開啟或關閉。旋轉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，測量結果的位置數據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，更換測針或調整測頭精度后，需要借助環規，使用標定循環CYCLE976向機床參數表寫入測頭五向補償值[5]。老版西門子840D Powerline數控系統中，測頭的補償參數保存在全局用戶數組GUD6的_WP[]字段內[7]。新版西門子840D sl數控系統中，取消了GUD功能塊，改用機床參數下用戶數組的54600字段[8]。圖3展示了使用環規在Heckert 1600 Athletic臥式加工中心內標定測頭五向補償值的應用。

2 誤差原理與監測邏輯

機床工作空間內的切削液、油污與鐵屑為常規污染源。工件上、換刀機構上、刀庫內，都粘附有污物，測頭隨時有被污染的風險，因此需要一種即時的監測方法。

2.1 測頭的誤差模式

Renishaw OMP60測頭的觸發原理基于開路監測，當連接測針根部的傳感器在角向或軸向受力超過設定值時，觸發回路即斷開。測針頂部的紅寶石球頭，是與工件接觸的零件。實際使用經驗得知，球頭發生局部污損，或測針由于未知原因產生變形，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 誤差監測邏輯

測量循環已經包含了計算公式，只需要選擇測量功能，并輸入合適的初始參數，就能從OVR參數讀取結果數據。但計算公式是設計與優化測頭誤差監測邏輯的原理，必須有所了解。

首先，我們總結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，主軸需根據法向轉動相應角度。3D測頭可以球頭上的任意觸點測量，無需轉動主軸。3D測頭可以同時作為單向測頭使用，但是需要分別進行標定。當測頭出現誤差時，分別以兩種模式測量同一特征，會得出不同的計算結果。

當單向測頭發生正向偏移xt,沿正向測量時的位置結果會減小xt。沿負向測量需要先旋轉測頭，正向偏移xt變為負向偏移，位置結果變為增大xt。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應用。單向測頭的旋轉行為抵消了位置偏移，但尺寸偏差加倍。3D測頭不旋轉，位置結果的偏差等于測量方向上的偏移分量，但尺寸能保持準確。根據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。單向測頭的旋轉行為抵消了位置偏移，尺寸偏差卻加倍了。3D測頭的位置結果與偏移方向相反，數值相同，而尺寸結果穩定。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用，因此繼承了其誤差模式。單向測頭僅能保持位置結果精度，3D測頭僅能保持尺寸結果精度。根據四個觸點數據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有所不同。根據上述測頭誤差模式的總結，結合表1中的計算公式，容易推導出各項測量功能的誤差表現，如表2所示。

表2 測量誤差表現

最后，我們設計測頭誤差監測邏輯。測量同一特征，當測頭單向與多向模式測量結果差超過設定值時，判定為測頭故障并暫停加工，如圖11所示。

2.3 刀具管理與監測程序

要在同一測頭上使用兩種模式，必須在刀具清單內進行正確的設置。在西門子840D sl數控系統的刀具管理界面中，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測頭應用的算法不同，需分別進行標定，并將數據保存到用戶參數組內。如使用Shopmill功能編輯測頭的程序，測量循環字段會被高亮標記，按右箭頭可以使用圖形化界面完成編輯。以四點測圓為例，設計監測程序，如圖13所示。

當變量R20、R21或R22內的測量結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 測頭過程數據上傳

實現智能制造，需要海量過程數據的支持。測頭的測量結果與狀態數據，是加工過程質量數據中的重要一環[9]。集成所有硬件通信的總線不易開發，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系統自帶的“Process DataShare”功能，能自動記錄與上傳數據日志，經濟且易于實施[10-11]。

3.1 定義數據格式

為了實現持續的數據記錄，我們需要定義測量日志的標準格式，適應上位機采集數據并保存到制造信息數據庫的需求。根據實際使用需求，我們定義了測量數據記錄格式，如表3所示。

表3 測量數據格式

靈活運用變量，使用“Write”循環編程，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中創建的日志文件。實踐中，變量可以靈活定制，格式也可根據不同數據庫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據以日志形式保存到指定位置的文件內。

首先，要設置盤符與權限。在上位機或網絡中的目標盤符或地址上創建好路徑，添加用戶“Everyone”，給予完全控制權限，并對應到路徑權限。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網口接入上位機或局域網，并修改CF卡上的配置文件extdev.ini，增加網絡驅動器與文件名，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，他們的變量及使用方法請參考編程說明書[11]。

3.3 測頭過程數據的應用舉例

在工藝研究中運用測頭數據自動記錄，使準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，導柱孔精鏜工藝的難度大，時間長，質量風險最高。根據正交法，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，處理數據后，易得到圖20中的簇狀圖標。借助圖形化技術，不同線速度下，刀具磨損引起的直徑變化規律直觀可見。

4 結語

接觸式測頭在多軸高精度數控機械加工中，將得到更廣泛的應用。本文介紹了測頭的基礎知識、誤差識別技術與數據上傳過程，能幫助使用者快速上手，有效降低質量風險。以低成本實現簡單的加工過程數據采集功能的技術途徑，對于小型企業實現輕型智能制造，有著重要意義。