基于SKIP 宏程序編程CNC 無線測頭在線智能檢測系統設計

薛明， 黃文龍， 劉惠強， 吳光明， 胡毅業， 趙鐸

（1.東莞市技師學院智能制造學院， 廣東東莞 523460；2.東莞市騰信精密儀器有限公司， 廣東東莞 523380）

0 前言

隨著機械制造業及先進制造技術朝著高度集成化、 自動化、 數字化、 網絡化、 柔性化等智能制造快速發展［1］， 企業對零件質量檢測的效率、 精度以及規范要求越來越高， 尤其是裝備制造業精密零部件的生產與檢測。 傳統的離線檢測工具及檢測方式包括三坐標精密離線檢測技術， 都需要將工件從機床卸下才能檢測， 該方法既影響工件的二次裝夾加工精度， 又影響測量精度和生產效率［2］。

針對以上問題， 本文作者開發一種能在線檢測零件基本尺寸及誤差補償的CNC 在線智能檢測系統，以實現自動檢測和校正零件尺寸誤差、 形位誤差等工藝參數， 制造成本低、 使用簡單、 維護便捷［3］。

1 CNC 無線測頭的工作原理

1.1 CNC 零件測量方式

圖1 為零件離線人工測量方式， 該方式不但易造成人為測量誤差， 而且效率低。 圖2 為零件在線自動測量方式， 該方式測量精度高， 效率高。

圖1 零件離線人工測量方式Fig.1 The offline manual measurement mode of the parts

圖2 零件在機自動測量方式Fig.2 Automatic measurement mode of the parts in the machine

1.2 CNC 無線測頭組成

如圖3 所示， CNC 接觸式無線測頭的組成［4］：測球、 測桿、 支撐球副、 定位柱、 電流柱、 測頭安裝定位板、 壓力彈簧和導電塊及無線電磁發射器。 在定位板水平面內按120°均勻安裝3 個定位柱， 每個定位柱與支撐球副3 組成3 對觸點副， 3 對觸點副通過串聯組成一個閉合回路， 當測球1 在壓力彈簧7 作用下接觸工件表面， 3 對接觸副其中之一發生斷開， 斷開瞬間產生電信號， 被CNC 機床接收之后執行SKIP信號， 然后通過宏程序運算判斷當前坐標值， 將檢測結果與技術要求進行比較， 之后進行誤差補償校正。測頭遠離工件后在壓力彈簧的作用下復位， 無信號。

1.3 CNC 無線測頭工作原理

如圖4、 5 所示， 在壓力彈簧的壓力Fc作用下，測頭接觸工件表面， 測桿在接觸點形成阻力Fs， 此時3 對觸點副串聯形成的信號回路被觸發， 3 對觸點副其中之一斷開， 信號回路產生電平跳變脈沖， 經過電流柱輸出觸發信號， 觸發信號的工作過渡區中會夾雜一些尖峰、 毛刺等抖動性干擾， 其經過無線通信裝置傳輸到數控系統。

圖4 CNC 無線測頭測量時受力情況Fig.4 The sustaining force situation of the CNC wireless probe when measuring

圖5 觸發式測頭觸發信號原理Fig.5 The principle of triggering signal for triggered－type probe

2 CNC 無線測頭在線智能檢測系統控制原理

如圖6 所示， 在線檢測時， 測頭根據數控系統設置檢測路徑、 誤差判斷等宏程序， 當測頭接觸零件觸發藍牙信號接收裝置后， 信號被傳送到CNC 數控系統， 該點的位置坐標自動存儲到機床系統參數內， 信息經過SKIP 二次開發宏程序檢測系統運算與判斷，獲得被測工件在空間內的坐標值和外部輪廓參數， 如零件尺寸誤差、 形位誤差、 基準誤差等是否符合零件圖紙技術要求， 如果符合技術要求則完成加工， 如果不符合則CNC SKIP 二次開發檢測系統將按校正程序自動修改參數和補償誤差， 然后繼續加工零件。 該測頭的結構示意圖如圖7 所示。

圖6 CNC 無線測頭在線智能檢測系統控制原理Fig.6 The control principle of the CNC wireless probe online intelligent testing system

圖7 CNC 無線測頭結構示意Fig.7 The construction of the CNC wireless probe

3 影響測頭測量精度的關鍵因素

數控機床在加工過程中， 主軸的電機發熱、 絲杠和軸承傳動摩擦發熱、 機床切削力載荷等因素不可避免， 因此測頭在測量中的誤差無法避免［5－10］。 對于CNC 無線測頭在線智能檢測系統， 測頭系統誤差、 機床幾何誤差、 檢測速度是其檢測誤差的最大影響因素。

測頭系統誤差主要包括由測頭壓力彈簧產生的預行程誤差、 測點位置誤差、 測頭半徑誤差、 測桿長度及直徑誤差等， 是影響檢測精度最直接的根本原因。機床幾何誤差也是影響測頭在線檢測誤差的重要因素之一， 主要表現在機床運動誤差、 機床定位誤差、 機床傳動誤差、 機床剛性誤差等［8］。 研究表明檢測速度也是影響測頭檢測誤差的主要因素［9－10］， 檢測速度與預行程誤差呈線性關系， 即檢測速度越大， 預行程誤差也越大。 檢測速度也是造成動態誤差的主要因素，檢測速度太快， 雖然能夠提高測量效率， 但會導致隨機動態誤差增大； 檢測速度太慢， 不僅會降低測量效率和增大接觸點摩擦因數， 而且會影響檢測精度。 根據材料力學性能可知， 測針長度越長或直徑越細， 其剛度越小， 測桿產生彈性變形的可能性也越大， 預行程誤差也越大。 因此， 檢測時在空行程區域快速定位， 提高檢測效率； 在檢測區域一般選擇低速檢測，提高檢測精度， 尤其是測量精度敏感區內。 根據檢測歷史數據， 采用進給速度為50 mm/min 的檢測速度。

4 CNC 無線測頭在線智能檢測系統控制程序設計

以三菱M70 數控系統為例， 采用G31 跳轉指令宏程序測量零件位置坐標、 誤差補償等形狀和位置尺寸。 通過G31 編寫用戶宏程序， 寄存在系統參數地址X4.7 SKIP 信號中， 檢測程序執行時， 如果檢測到SKIP 信號置“1”， 機床5 個進給軸的坐標值分別被存儲在用戶宏程序的系統變量＃5061～5065 （＃5061 為第1 軸的坐標值、 ＃5062 為第2 軸的坐標值……＃5065為第5 軸的坐標值） 中， 以便二次開發檢測與校正宏程序計算使用； 如未檢測到SKIP 信號置“1”， 則作為G01 直線插補功能。

4.1 SKIP 跳躍信號硬件安裝

跳躍信號用于高速信號的處理， 使用前應連接到SKIP 信號傳感器， 如圖8 所示。

圖8 SKIP 信號傳感器安裝Fig.8 The installment of the SKIP signal sensor

安裝SKIP 傳感器前必須對電纜進行屏蔽處理，當COM 端子連接OV 時， 跳躍信號電纜的連接如圖9所示。 工作中需要注意， NC 將2 ms 以上的輸入信號識別為有效的跳躍信號。 如果使用機械觸點（繼電器等）， 可能會因震顫而導致誤動作， 因此使用半導體觸點（晶體管等）。

圖9 跳躍信號電纜的連接Fig.9 The connection of the SKIP signal cable

圖10 所示為跳躍信號輸入端口。 表1 為腳接口與信號源連接通道， 分別使用10120?3000EV 插頭、10320?52F0－008 外殼與接地線連接。 腳接口1 連接I/O 板0 V， 腳接口12 （使用SKIP1） 連接SKIP 信號即24 V 高點平脈沖信號觸發。

表1 腳接口與信號源連接通道Tab.1 The connection channel of the foot interface and signal source

圖10 跳躍信號輸入端口Fig.10 The SKIP signal input port

4.2 跳躍功能G31 NC 程序功能

通過G31 指令進行直線插補時， 如果從外部輸入跳躍信號， 則立即停止機床進給運動， 剩余移動距離被取消， 開始執行下一段程序指令。 指令格式：G31 X?Y?Z?F?；

說明：

（1）X、Y、Z為各軸坐標值，F為進給速度。

（2） 如果X、Y、Z坐標值與G31 指令在同一程序段內指令了F， 則進給速度為指令速度F， 如果沒有指令F， 則以參數“＃1174 skip＿F?” 所設定的值作為進給速度。

（3） G31 程序段通常與自動加減速無關。 G31 最高速度受限于機床參數設定值。

（4） G31 指 令 時， 倍 率 調 整 無 效， 固 定 為100%， 空運轉也無效； 停止條件（進給保持、 互鎖、倍率零、 行程結束） 有效， 外部減速也有效。

（5） G31 為模態指令， G31 指令開始時， 如果輸入跳躍信號， 則G31 指令立即完成。 在G31 結束之前， 當沒有輸入跳躍信號時， 在移動指令完成后，G31 指令也完成。

（6） G31 不能用于刀具半徑補償指令中。

4.3 跳躍功能G31 及SKIP 信號參數設定

＃1173 dwlskp （G04 跳躍條件）， 設定用于中斷G04 （延時） 指令的跳躍信號。

＃1174 skip＿F （G31 跳躍速度）， 設定G31 （跳躍） 指令的程序中無F指令時的進給速度。F設定范圍為1～999 999 mm/min。

＃1175 skip1 （G31.1 跳躍條件）， 設定多段跳躍G31.1 中的跳躍信號， 設定方法與“＃1173” 相同。

＃1176 skip1f （G31.1 跳躍速度）， 設定多段跳躍G31.1 中的跳躍進給速度，F設定范圍為1 ～999 999 mm/min。

表2、 3 和圖11 所示分別為SKIP 信號接口、 信號參數及PLC 控制程序設計。

表2 PLC 接口輸入信號Tab.2 PLC interface input signal

表3 監控器參數Tab.3 The parameters of monitoring

圖11 PLC 控制程序Fig.11 PLC control program

G31 跳躍程序應用， 例如：

N1 G91 G1 G31.1 Z－10 F100； （測頭在Z軸以F＝100 mm/min 的速度移動到工件表面檢測范圍為0 ～10 mm， 測頭內的裝置觸發碰到工件表面發生移位岀現上升沿信號， 信號被機床SKIP （x6 f8） 所接收， 當前的坐標被記錄存儲在寄存器內， 執行下一段N2。）

N2 G0 G91 Z2.F100。

4.4 CNC 無線測頭在線智能檢測系統宏程序應用

在汽車零部件和航空零部件的精密制造領域， 零件在數控銑床加工中需要： （1） 快速確定工件坐標系； （2） 需要精密檢測和補償誤差。 針對以上功能要求， 在FANUC 系統編寫無線測頭智能檢測系統宏程序［11－13］， 實現在線自動完成零件檢測和誤差校正，可以有效地節約零件的加工和檢測時間， 提高工作效率和零件尺寸精度。 表4—7 所示為CNC 無線測頭智能檢測控制系統宏程序。

表4 測頭調用初始程序Tab.4 The initial using program of the probe

表6 測頭誤差檢測程序Tab.6 The error testing program of the probe

表7 測頭標定程序判斷部分Tab.7 The judging part of the probe marking program

為了統一編程思路及方便修改測頭控制程序， 具體探測位置如圖12 所示， 實際檢測如圖13 所示。 注意： （1） 先按照圖12 中的標定設置檢測坐標點位置；（2） 相對的點位變量值不可隨意更改； （3） 變量的順序不要隨意變動更改； （4） 為了確定計算的測量數據， 調整更換測量位置后， 實際機床坐標系的X、Y、Z坐標值被程序G31.1 所指定的軸寫入程序變量＃681～＃697 中。

圖12 檢測位置標定示意Fig.12 The schematic of the test position marking

圖13 CNC 無線測頭在線檢測Fig.13 Online test of the CNC wireless probe

4.5 測頭的重復定位精度測試

研究表明機床在切削加工或在線檢測時， 其工作臺的動態定位誤差與承受載荷大小和運行速度等因素有關。 機床在進給運動時， 存在一個“最佳測量或切削速度”， 在該速度工作時機床的定位誤差最小。 為了使測頭達到最佳測量狀態， 需要確保測頭的重復定位精度在0.003 mm 以內。 如圖5 所示， 3 對接觸副在壓力彈簧作用定位柱達到一定的壓力后， 定位柱每次位移量達到0.001 mm 就會觸發信號， 信號經SKIP 跳轉后由宏程序檢測和誤差校正。 如表8 所示， 經過10 次測試， 測量結果顯示最佳測量速度為40 mm/min。

表8 無線測頭重復定位精度測試 單位： mmTab.8 The precision test of the repetitive positioning of the wireless probe Unit： mm

5 結論

針對數控銑削加工精密零件尺寸精度在線檢測及誤差補償等問題， 提出基于三菱M70 數控系統跳過指令SKIP 在線檢測與誤差補償宏程序控制系統的關鍵技術。 如圖14 所示， 其優勢和特點為： 針對具有典型特征的規則型面和組合型面零件能夠進行在機檢測； 具備自動檢測零件尺寸誤差和部分形位誤差與補償功能； 使用簡單、 通用性強； 能快速將檢測結果反饋到數控系統運算并完成誤差補償； 提高了生產效率、 產品質量， 大大降低了次品率， 也降低了生產成本。 加工結果表明： 該系統在線檢測重復定位精度達到0.001～0.003 mm， 可適用于精密零件數控銑削加工。

圖14 CNC 無線測頭智能檢測控制系統硬件安裝Fig.14 The hardware installment of the CNC wireless probe intelligent testing and controlling system