基于840D sl數控系統的雙測頭測量系統的應用

黃偉

河南大學濮陽工學院 河南濮陽 457000

1 序言

在零部件高精度、高質量、高效率的加工過程中，測量技術起著非常重要的作用。由于毛坯存在差異，所以依靠機床本身來控制加工精度是很難實現的。采用精密測頭對工件進行實時測量，是機床加工過程中的重要環節，測量系統原理如圖1所示。

圖1 測量系統原理

測頭作為測量系統的信號感知部件，可使機床在毛坯加工過程中實現對加工尺寸的自動測量。機床對測頭反饋回來的測量結果進行處理、分析后，自動修改加工程序，提高加工精度。數控機床不僅具有機加工功能，同時還兼具測量機的功能，進一步提高了加工性能。

2 測頭測量裝置與數控系統的集成

汽車企業的動力總成機加工線應用主動測量技術比較廣泛，例如缸體缸蓋生產線機加工設備引進的MARPOSS T25測頭和P1SRW60000接收器，配合西門子SINUMERIK 840D sl中高端數控系統，測頭與數控系統連接應用可以實現工件測量功能。機床的冷機熱機狀態對關鍵尺寸影響較大，通過用測頭測量消除誤差十分重要。MARPOSS T25測頭是一種觸發式測頭，采用無線電傳輸觸發測頭系統傳輸模式。當系統執行測量動作時，T25測頭發出采樣脈沖信號，接收裝置接收信號后，傳輸至NCU（Numerical Control Unit，中央控制單元），NCU經過運算分析，確定工件或夾具的坐標偏差是否在規定公差范圍內，并根據測量結果自動修正坐標系的偏置量，使同樣的機床能加工出更高精度的零件。

2.1 硬件組成與參數設置

本案例使用的測量裝置為MARPOSS T25測頭和P1SRW60000接收器，配合西門子SINUMERIK 840D sl中高端數控系統。MARPOSS測頭系統由發射器和集成接口的無線電接收器構成，適用于中大型機床和五軸機床；其堅固穩定的設計，可適應苛刻的加工環境；傳輸頻率2.4GHz，傳輸距離長達15m，并且擁有卓越的抗干擾性。

SINUMERIK 840D sl的數控單元作為數控機床的中央控制單元，負責整個機床的邏輯控制功能，主要由一個COM CPU板、一個PLC CPU板和一個DRVIVE板組成。硬件接線如圖2所示，探針1對應的主軸1測頭接收器連接到NCU的X122接口單元上的10針端口，而探針2對應的主軸2測頭接收器則連接到X122接口單元上的11針端口。通過修改SINUMERIK 840D sl參數P680，可以實現手動設定測量輸入接口。另外，MD13200可以配置高低電平有效。

圖2 硬件接線

系統連接正常通電后，MDA或自動模式下用M指令啟動探針，探針1、2的測量輸入可以通過PLC側的DB10.DBX107.0和DB10.DBX107.1監控。雙主軸機床有兩個獨立的Z向進給，共用X、Y方向的進給。測量時，X、Y、Z1為第一套測頭系統，X、Y、Z2為第二套測頭系統，分別進行測量。

2.2 PLC控制程序

PLC程序通過M38激活主軸1測頭的功能（見圖3），激活主軸2測頭的功能則通過控制M37完成（見圖4），PLC控制M39則可關閉所有測頭功能。當NCU側接收到一個M功能時，PLC側對應的信號功能就會被激活，從而實現NCU與PLC的信息交換，激活或關閉測量頭使能等機床輔助功能。

圖3 M38激活主軸1測頭

圖4 M37激活主軸2測頭

當N C U接受M38功能請求后，激活主軸1測頭，只有當測頭被激活后，才能執行下一條指令，否則會出現因測頭未被完全激活而導致測量數據不準確的情況。由于M0～M99是動態M功能，一般不具備讀入禁止功能，所以執行M38功能后要在PLC中增加讀入禁止功能，執行M38功能時會產生一條510116的操作信息，顯示測頭處于打開狀態。當測頭被成功激活后，若操作信息的條件不滿足邏輯關系則會自動從HMI中消失。根據Doconcd手冊的提示信息可知，510116～510123這類操作信息具有讀入禁止與進給禁止功能。利用這些特殊的操作信息使M38（激活主軸1測頭功能）、M37（激活主軸2測頭功能）具有讀入禁止與進給禁止的功能，確保激活完成后才進行測量，進而保證了測量結果的準確性。

2.3 NC控制程序

1）使軸移動到測量工件上的實際位置，在測頭發出脈沖沿時，刪除實際位置與給定位置之間的剩余行程，并將軸的實際位置寫入存儲單元中。

2）設 置 測 量 值 公 差 帶。當G U D全 局變量測量值M E A S U R I N G_VA L U E_Z超過UPPER_TOLERANCE_LIMIT或小于LOWER_TOLERANCE_LIMIT時，輸出65952的NC報警。

3）記錄測量結果值。使用WRITE指令可以將零件程序中的段落或數據寫入到指定文件（日志文件）的末尾。利用此功能記錄兩個測頭測量值結果（見圖5），分號作為分隔符進行間隔，存于子程序文件夾中。用U盤復制這些文件，在電腦Excel表格中可直接打開，勾選分號為分隔符，在預覽窗口可以看到測量結果清晰顯示在Excel表格中，便于管理測量值的數據并保證數據的可追溯性。

圖5 記錄測量值結果

4）測量頻次設置。在實際生產中，并非對每一個工件都進行測量，本例中通過設置會依次增加測量件之間的間隔（見圖6）。加工中心從冷機到熱機期間，測量值會有波動，當加工中心熱機完成后，測量值則會趨于穩定，這時就不需要小頻次測量，頻次曲線如圖7所示。

圖6 頻次設置

圖7 頻次曲線

5）修正坐標系。通過CFINE精偏指令可以將測量后得到的補償值寫入到雙主軸的各個坐標系中，修正坐標系補償功能。雙主軸機床的坐標系補償值有X、Y、Z1和Z2四個方向，在程序中分別對應變量R320、R321、R322和R323。

2.4 軟件監控

SinuCom NC是一款針對西門子840D sl數控系統和驅動數據分析、管理的工具。該軟件包支持對SINUMERIK 840D sl控制系統的簡便、高效調試，所包含的程序提供豐富的機床調試產品，包括跟蹤功能、安全集成驗收測試、生成PC卡映像文件、系列調試管理以及數控用戶數據的傳輸。

SinuCom NC軟件提供了很多診斷和調試工具，比如FFS、ARC、Trace等，其中Trace功能可以對系統狀態、IO狀態、伺服功能、PLC/NC變量等進行全方位監控。軟件中添加測頭信號，可以通過事件或手動觸發對變量進行記錄。通過這些記錄，用戶可以方便地監控測頭運行狀態，也方便用戶診斷故障。

在SinuCom NC Trace中完成配置，然后將該配置運行到系統中，Trace結果會自動在SinuCom NC Trace中顯示，如圖8所示。

圖8 Trace結果顯示

3 結束語

840D sl數控系統的雙主軸加工中心配雙測頭測量系統改造方案取得了良好的效果，將會陸續推廣到其他車間的雙主軸項目中。在項目實際調試過程中，840D sl數控系統的靈活性和開放性，以及完善的技術資料、良好的技術支持，使現場調試有了保障，降低了項目成本。