工件角度自動測量方法

顧紅光，謝春軼

沈陽機床（集團）有限責任公司 遼寧沈陽 110142

1 序言

隨著制造業的發展，數控機床的發展也是日新月異，高速化、高精化、智能化、復合化和自動化成為數控機床的發展趨勢和方向，同時機床加工效率也一直是用戶的主要關注點[1]。在汽車車橋件加工中有一特點，車橋兩端面有一定的傾角，在進行車橋端面加工時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點進行加工。傳統方法為在刀庫中放入無線測量裝置，當需要進行測量時，通過刀庫換刀將測頭換到主軸上，使坐標軸移動測頭接觸工件端面，然后應用數控系統的高速跳轉測量功能記錄當前坐標值，再多次移動坐標軸進行其他點位的測量，根據多點測量記錄的坐標值計算得出工件端面傾角。此種方法需要多點多次移動坐標軸測量，增加了機床加工節拍，降低了加工效率。本文采用總線式位移傳感器進行一次測量得出多點數據，減少了多次測量移動坐標軸的時間，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行位置測量，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傳感器進行高速拍攝，通過刻有因位置而異的縫口圖形的“絕對值刻度尺”讀取其移動量，擁有同級超高精度，即使高速移動也不產生追蹤誤差，測量精度可達1μm，探頭前端伸縮量為10mm。放大器模塊用來接收傳感器的信號并進行處理，每個放大器模塊可連接一個探頭。通信模塊是用來與外部設備進行總線通信的模塊，一個通信模塊最多可以連接15個放大器模塊，可支持Profinet、Profibus、CC-Link、DeviceNet和EtherNet/IP等主流通信協議[2]。傳感器組成如圖1所示。

圖1 傳感器組成

3 整體應用方案

本文案例中的機床配備西門子828D數控系統，由于數控系統的開放性較差，不能直接與第三方總線設備進行通信，因此數控系統與總線式位移傳感器之間的通信需要借助西門子的S7 1200 PLC來進行中轉。西門子828D數控系統與S7 1200 PLC之間可進行S7連接，S7 1200 PLC可組態GT2總線式位移傳感器，系統連接如圖2所示。

圖2 系統連接示意

車橋端面傾角可通過4個點的位置坐標計算得出，應用4個基恩士測頭進行一次測量即可[3]。首先將4個探頭固定在支架上，然后做好測頭防護裝置，整體安裝在主軸側上方，保證加工時不與工件干涉。如果工件端面徑向尺寸較大，則可以加一個驅動裝置控制測頭的伸出和退回，測量時測頭伸出，工件加工時測頭退回到安全位置，以避免干涉。驅動裝置最好選用伺服驅動，運行會更平穩，精度穩定性高。4點測頭的安裝、結構和測量如圖3～圖5所示。

圖3 4點測頭整體安裝示意

圖4 4點測頭結構

圖5 4點測頭測量示意

由圖4和圖5可看出，4點測頭在后端支架的前端設有前端支架，后端支架與機床主軸箱連接；前端支架上設有4個傳動桿后座，與傳動桿同軸連接，傳動桿后座內具有彈簧復位裝置；在前端支架與后端支架間設有內部支架，內部支架上設有與傳動桿位置對應的壓縮式檢測頭，傳動桿的末端依次穿過傳動桿后座和前端支架，并與壓縮式檢測頭連接。4個檢測頭呈矩形分布，通過壓縮量的不同，可以計算接觸面的傾斜角度，因此也可根據實際需要，用于檢驗前序焊接角度是否合格，或者自動上下料時判斷有無工件等。

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

圖6 傾斜角度計算

在實際應用中，當需要加工某種車橋零件時，首先需要找一個標準件，探頭移動到工件端面，保證與工件端面接觸時探頭在壓縮行程中間位置（5mm左右），系統記錄4個傳感器位置，計算出端面傾斜角度。之后每次測量時以此傾斜角為基準進行判斷，設定超差值，當超出設定值時，判定工件超差，停止加工；當測量數值在公差范圍內時，系統按測量數值與標準件數值的差值進行基準加工。

4 程序控制

（1）S7 1200 PLC與傳感器間的通信及數據 讀取 本文中應用西門子S7 1200 PLC的1211C系列，PLC與傳感器間采用PROFINET總線通信，應用博圖軟件進行傳感器的組態，S7 1200 PLC的設置及程序控制如圖7所示。

圖7 S7 1200 PLC的設置及程序控制

（2）S7 1200 PLC與828D系統間的通信及數據傳輸 S7 1200 PLC與西門子828D系統之間采用的是S7協議連接，S7以太網通信協議主要是將PLC連接到PC站。可通過GET、PUT等指令進行數據的傳輸，在GET、PUT指令中設置兩個通信設備的以太網地址。此例中10.32.46.117為S7 1200 PLC的地址，10.32.46.120為西門子828D系統的地址，具體的S7連接設置如圖8所示。

圖8 S7 1200 PLC與828D系統間的S7連接設置

S7 1200 PLC發送數據給828D系統如圖9所示，“PUT_DB”中“M120”“M124”“M128”“M132”為S7 1200 PLC對接收的傳感器數據進行處理后的存儲地址。通過PUT指令傳送給828D系統，828D系統對應的地址為“DB9061.DBX0”“DB9061.DBX4”“DB9061.DBX8”“DB9061.DBX12”。

S7 1200 PLC接收828D系統數據如圖10所示，為GET指令。S7 1200 PLC接收828D系統的測量指令地址為“DB9062.DBX0”，對應P L C地址為“Q96”。S7 1200 PLC只負責傳感器測量數據的采集、處理和傳輸，基于標準件的數據超差等分析由828D系統處理，828D系統對數據的處理這里不再做說明。

圖10 S7 1200 PLC接收828D系統數據

5 結束語

本文針對工件端面傾斜角度測量加工進行研究，用4點測頭代替單點測頭，一次測量得出4點數據，大大節省了測量時間，提高了加工效率。另外，相比于價格昂貴的測頭，本文采用基恩士總線位移傳感器進行工件測量，在滿足精度的同時也節省了成本。此方案已在本公司設備上多次使用，技術成熟，得到了客戶的認可，提高了產品的市場競爭力。