王大雙 洪榮晶

（①南京工業(yè)大學機械與動力工程學院，江蘇 南京 210009；②西門子工廠自動化工程有限公司，江蘇 南京 210000）

隨著智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，高端數(shù)控機床得到了廣泛應(yīng)用。五軸加工技術(shù)應(yīng)用為復雜曲面類零件的制造提供了可能，一次裝夾可完成多道工序，五軸機床使得數(shù)控加工在提高生產(chǎn)效率的同時保證了產(chǎn)品加工精度與加工質(zhì)量，因此五軸數(shù)控機床在機械工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，如航空航天、汽車制造領(lǐng)域等。工件位置測量的快慢程度和精確性直接影響五軸數(shù)控機床生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。

自2000年以來，機床工件測量研究陸續(xù)取得了一些成果。2010年張亞萍[1]利用FANUC 0i數(shù)控系統(tǒng)所提供的坐標旋轉(zhuǎn)和宏程序功能，解決了工件孔心快捷找正問題。2018年王芳等人[2]通過確定工件中心然后將工件中心轉(zhuǎn)換成距工作臺中心的坐標，實現(xiàn)大型工件在數(shù)控鏜銑中心上的自動找正。2020年戰(zhàn)祥鑫等人[3]通過對機床操作系統(tǒng)進行功能開發(fā)，利用宏程序和測頭來實現(xiàn)工件的自動找正和在線測量。2021年付敏[4]開發(fā)設(shè)計了數(shù)控車床的計算機操作系統(tǒng)，并利用宏程序和測頭完成了車削過程中的工件自動找正。2022年顧紅光等人[5]針對工件端面傾斜角度測量加工進行研究，基于西門子828D系統(tǒng)實現(xiàn)工件角度自動測量。上述的工件測量方法只能單純在二維空間實現(xiàn)坐標找正，且對于基準孔位的測量誤差較為敏感，測量精度低、缺乏通用性，穩(wěn)定性不足，大大增加了零件的加工輔助時間[6]。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本文給出了數(shù)控行業(yè)所缺乏的三維位置轉(zhuǎn)換找正技術(shù)方案：首先應(yīng)用五軸標定循環(huán)精確計算用于定義五軸轉(zhuǎn)換的幾何關(guān)系，減少了五軸數(shù)控測量過程中出現(xiàn)的誤差，然后基于西門子840D sl五軸機床加工過程中刀具軸矢量的運動變化規(guī)律和西門子測量循環(huán)，編寫五軸測量程序，進行工件位置測量，在五軸數(shù)控加工過程中采用這種工件測量方法，可以將工件位置快速地確定下來，檢測工件位置的同時，還會根據(jù)測量的數(shù)據(jù)結(jié)果對刀偏量自動地修正，不但省時省力，而且還提高了加工效率，具有廣泛的應(yīng)用價值。

1 五軸功能參數(shù)配置

五軸數(shù)控機床指的是X、Y、Z這3個直線軸再加兩個旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成具有5個聯(lián)動進給軸的數(shù)控機床。840D sl數(shù)控系統(tǒng)是西門子公司推出的新一代純數(shù)字高端數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)支持3大種類五軸結(jié)構(gòu)：雙擺頭型、雙轉(zhuǎn)臺型和擺頭轉(zhuǎn)臺型。五軸機床5個進給軸分配規(guī)則為：3個直線軸分別對應(yīng)五軸的第一、二、三幾何軸，第一旋轉(zhuǎn)軸對應(yīng)第四軸，第二旋轉(zhuǎn)軸對應(yīng)第五軸，第一旋轉(zhuǎn)軸的運動會改變第二旋轉(zhuǎn)軸的方向。在五軸數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)置5個進給軸（直線軸和旋轉(zhuǎn)軸）的幾何關(guān)系及尺寸鏈，數(shù)控系統(tǒng)激活五軸功能時，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)配置的五軸機床數(shù)據(jù)，自動實時將編程指令轉(zhuǎn)換成各個機床軸運動指令，達到編程指令的軌跡要求。本文以雙擺頭型五軸數(shù)控機床為例，介紹西門子840D sl雙擺頭型五軸機床主要功能參數(shù)配置方法，其他類型的五軸機床參數(shù)配置方法與此類似，目標機床結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示[7]。

圖1 雙擺頭型五軸機床結(jié)構(gòu)簡圖

在840D sl系統(tǒng)中設(shè)置5 個進給軸：X、Y、Z這3個直線軸，C為第一旋轉(zhuǎn)軸，繞Z軸旋轉(zhuǎn)，A為第二旋轉(zhuǎn)軸，繞X軸旋轉(zhuǎn)，SP為機床主軸，以目標設(shè)備為例，五軸數(shù)控機床軸參數(shù)配置如表1所示。

表1 840D sl五軸機床軸參數(shù)配置

雙擺頭型目標機床的五軸幾何轉(zhuǎn)換參數(shù)設(shè)置如表2所示，參數(shù)Part_Offset-MD24500：表示第一旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心到機床刀具基準點的位移，Base_Tool-MD24550：表示機床刀具基準點到第二旋轉(zhuǎn)軸的回旋轉(zhuǎn)中心的位移，Joint_Offset-MD24560：第一旋轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)中心到第二旋轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)中心的位移，如圖1中I1、I2、I3的3個矢量所示。3個轉(zhuǎn)換矢量需要首尾相連構(gòu)成封閉矢量三角形，即：Part_Offset=–（Base_Tool+Joint_Offset），在設(shè)置五軸轉(zhuǎn)換參數(shù)時，由于矢量三角形封閉，因此只要計算出其中任意兩個矢量即可計算出第三個矢量，其他參數(shù)機床參數(shù)可參照西門子相關(guān)資料酌情設(shè)置。

表2 840D sl五軸轉(zhuǎn)換參數(shù)配置

2 3D測頭調(diào)試與標定

五軸數(shù)控機床在線測量過程中，使用3D觸發(fā)式測頭進行三維位置測量時，根據(jù)被測表面在檢測點之間的接觸以及相關(guān)的參數(shù)，選擇出最短的檢測路徑。測頭是一個信號開關(guān)，通過測針與被測工件表面接觸產(chǎn)生觸發(fā)信號，接收器將觸發(fā)信號傳輸給數(shù)控系統(tǒng)，測頭本身并沒有測量計算功能，需要通過運行測量程序完成測量動作和測量計算，最后輸出測量結(jié)果[8]。

2.1 測頭硬件連接與相關(guān)參數(shù)設(shè)置

目標設(shè)備的測頭1連接在840D sl的NCU端子X122上，如圖2所示。測頭1的相關(guān)參數(shù)840D sl數(shù)控系統(tǒng)出廠時已經(jīng)預(yù)設(shè)好，只要對測頭輸出的高低電平信號參數(shù)進行設(shè)置MD13200$MA_MEAS_PROBE_LOW_ACTIVE[n] 0 ：高電平有效 1 ：低電平有效。初次調(diào)試時，測頭需要做在線信號診斷，方法如下：診斷信號方法1：進入系統(tǒng)PLC變量界面，DB10.dbx107.0輸入PLC地址位，手動觸發(fā)測頭1，上述PLC地址位有翻轉(zhuǎn)信號，說明測頭參數(shù)設(shè)置正確；診斷信號方法2：測量信號也可以根據(jù)測頭觸發(fā)時，執(zhí)行測量余程刪除指令MEAS，通過機床進給是否停止來判斷信號正常與否，在MDA模式下輸入程序段并執(zhí)行MEAS=1 G91 G01 X1000 Y1000 F100，機床運行過程中，手動觸發(fā)測頭1，查看X軸進給是否停止。

圖2 測頭連接圖

2.2 2 測頭標定

高精度3D測頭重復性精度為可達0.25 μm，測量精度可以滿足常規(guī)高精度零件的檢測要求。機床本身的定位精度、重復定位精度也會影響測頭的測量精度，測頭使用前，需應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)對測頭進行正確的調(diào)整、校準。840D sl數(shù)控系統(tǒng)可用系統(tǒng)自帶的工件測頭標定功能對3D測頭進行標定，半徑標定過程如下：測頭與NC系統(tǒng)將自動運行如下動作與運算：主軸定位至180°，測內(nèi)圓4點，主軸定位至0°，測內(nèi)圓4點，以上兩次測量結(jié)果運算出環(huán)規(guī)內(nèi)孔準確的中心位置。長度標定過程如下：設(shè)定環(huán)規(guī)、標定球或量塊等標準件的上表面為工件坐標系Z向原點，激活設(shè)定過的工件坐標系，調(diào)出測頭檢測標準件表面，標定測頭長度，測頭標定結(jié)果輸出如圖3所示。

圖3 測頭標定結(jié)果

3 五軸轉(zhuǎn)換矢量校準

為了獲得相對較高的在線測量精度，五軸機床需要在當前工況下校驗五軸轉(zhuǎn)換矢量數(shù)據(jù)設(shè)置是否精確。西門子840D sl系統(tǒng)借助于五軸標定循環(huán)CYCLE9960可以很方便地糾正用于定義運動學五軸變換的幾何矢量。通過測量標準球的空間位置，數(shù)控系統(tǒng)自動計算五軸轉(zhuǎn)換定義的幾何矢量：測量程序使用CYCLE800 或TRAORI+TOROT 指令將測頭定位到標準球的測量起始點[9]，使用CYCLE9960測量標準球的位置，標定過程中分別測量兩個旋轉(zhuǎn)軸，每個旋轉(zhuǎn)軸需要測量3個點，測量盡量均勻分布，3個測量點構(gòu)成三角形的內(nèi)角需大于15°，否則計算結(jié)果會不準確。根據(jù)空間3個點的測量數(shù)據(jù)，數(shù)控系統(tǒng)自動計算出兩個旋轉(zhuǎn)軸的幾何矢量位置，然后根據(jù)計算數(shù)據(jù)進行五軸矢量校準。

圖4、圖5為實驗所用五軸聯(lián)動機床標定球及測頭安裝實物圖，其中測針長為189.583 mm，測針的測球半徑為R2.938 mm，該值由3D測頭標定求得，標定球直徑為25.001 0 mm。五軸標定循環(huán)CYCLE9960參數(shù)設(shè)置如圖6所示。

圖4 標定球和測頭

圖5 測量點選擇方案

圖6 五軸標定循環(huán)CYCLE9960

測量結(jié)束后，校準結(jié)果以系統(tǒng)日志方式顯示，測量變量、激活的轉(zhuǎn)換、測量的旋轉(zhuǎn)軸和相關(guān)軸測量范圍顯示在日志開頭部分。每次測量的測量差異顯示在基本坐標系。當前和新計算的校正元素偏差顯示在日志的底部，如表3所示，調(diào)試人員可根據(jù)矢量測量偏差和日志上的提示，選擇機床面板上NC start或者Reset按鍵來完成五軸機床回轉(zhuǎn)軸心、軸線等運動系統(tǒng)的矢量檢測與自動補償?shù)墓ぷ鳌?/p>

表3 五軸轉(zhuǎn)換矢量測量結(jié)果

4 工件測量實驗

五軸機床通過調(diào)用五軸轉(zhuǎn)換NC功能代碼將激活的工件零點（如G54）轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)平面上，并計入機床的一系列幾何偏移，從而將當前的工件坐標系定位到編程平面上。

4.1 五軸機床坐標系轉(zhuǎn)換

CYCLE800 或TRAORI+TOROT是一種可用于五軸坐標系轉(zhuǎn)換的NC代碼，適用于目前已知的所有840D sl五軸數(shù)控機床結(jié)構(gòu)。通過對系統(tǒng)“框架”的靜態(tài)轉(zhuǎn)換，能夠?qū)崿F(xiàn)機床把工件坐標系通過“平移–旋轉(zhuǎn)–再平移”的方式轉(zhuǎn)移到當前所需要加工的傾斜面上，實現(xiàn)空間工件坐標系的旋轉(zhuǎn)[10?11]。五軸機床轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)頭或者回轉(zhuǎn)臺，可以快速將刀具軸線自動擺動到與空間內(nèi)任意傾斜平面相垂直的狀態(tài)，并且可以自動轉(zhuǎn)換刀具長度和半徑補償?shù)姆较?，轉(zhuǎn)換前與轉(zhuǎn)換后的坐標系變化如圖7所示。

圖7 五軸機床坐標系轉(zhuǎn)換關(guān)系

4.2 工件測量過程

如圖8所示,對該圖左側(cè)內(nèi)徑為300 mm圓孔端面三維中心坐標進行測量：首先，測頭從當前位置定位到待測量孔中心附近；其次，機床通過五軸轉(zhuǎn)換NC指令旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)頭，快速將刀具軸線自動擺動到與待測量平面相垂直的狀態(tài)如圖9所示；再次，調(diào)用西門子相應(yīng)的測量循環(huán)進行自動測量；最后，調(diào)用數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)變量實現(xiàn)測量結(jié)果的輸出，測量結(jié)果如圖10所示。

圖8 擺頭初始位置

圖9 擺頭測量位置

圖10 圓孔中心點坐標測量值

4.3 五軸機床工件測量程序?qū)嵗?/h3>

根據(jù)加工工件結(jié)構(gòu)特點，實驗采用沈陽機床GMC70400型雙擺頭AC結(jié)構(gòu)五軸聯(lián)動數(shù)控機床，西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)。試驗工件為內(nèi)孔直徑為300 mm的圓環(huán)柱體(見圖9)，公差為±0.01 mm，測量程序如下：

5 結(jié)語

運用西門子840D sl系統(tǒng)的五軸標定循環(huán)完成實驗機床回轉(zhuǎn)軸心、軸線等運動系統(tǒng)矢量校準，減少了機床在線測量誤差?；?40D sl五軸加工過程中刀軸矢量的運動變化規(guī)律，利用系統(tǒng)測量循環(huán)、坐標變換代碼、宏程序進行測量和運算，實現(xiàn)了五軸加工過程中工件坐標的自動測量。在五軸加工過程中引進工件坐標自動測量功能可以很大程度上減少加工過程中的測量誤差，不但省時省力，而且還提高了加工精度和效率，具有廣泛的應(yīng)用價值。