王大雙 洪榮晶

（①南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 210009；②西門子工廠自動(dòng)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(jī)床得到了廣泛應(yīng)用。五軸加工技術(shù)應(yīng)用為復(fù)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(jī)床使得數(shù)控加工在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)保證了產(chǎn)品加工精度與加工質(zhì)量，因此五軸數(shù)控機(jī)床在機(jī)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(jī)床生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。

自2000年以來，機(jī)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(biāo)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(tái)中心的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)大型工件在數(shù)控鏜銑中心上的自動(dòng)找正。2020年戰(zhàn)祥鑫等人[3]通過對機(jī)床操作系統(tǒng)進(jìn)行功能開發(fā)，利用宏程序和測頭來實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)找正和在線測量。2021年付敏[4]開發(fā)設(shè)計(jì)了數(shù)控車床的計(jì)算機(jī)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(dòng)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(jìn)行研究，基于西門子828D系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工件角度自動(dòng)測量。上述的工件測量方法只能單純在二維空間實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)找正，且對于基準(zhǔn)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(shí)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(biāo)定循環(huán)精確計(jì)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(jī)床加工過程中刀具軸矢量的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律和西門子測量循環(huán)，編寫五軸測量程序，進(jìn)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(shí)，還會(huì)根據(jù)測量的數(shù)據(jù)結(jié)果對刀偏量自動(dòng)地修正，不但省時(shí)省力，而且還提高了加工效率，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

1 五軸功能參數(shù)配置

五軸數(shù)控機(jī)床指的是X、Y、Z這3個(gè)直線軸再加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成具有5個(gè)聯(lián)動(dòng)進(jìn)給軸的數(shù)控機(jī)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(tái)型和擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)型。五軸機(jī)床5個(gè)進(jìn)給軸分配規(guī)則為：3個(gè)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(yùn)動(dòng)會(huì)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(gè)進(jìn)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(shí)，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)配置的五軸機(jī)床數(shù)據(jù)，自動(dòng)實(shí)時(shí)將編程指令轉(zhuǎn)換成各個(gè)機(jī)床軸運(yùn)動(dòng)指令，達(dá)到編程指令的軌跡要求。本文以雙擺頭型五軸數(shù)控機(jī)床為例，介紹西門子840D sl雙擺頭型五軸機(jī)床主要功能參數(shù)配置方法，其他類型的五軸機(jī)床參數(shù)配置方法與此類似，目標(biāo)機(jī)床結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示[7]。

圖1 雙擺頭型五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)簡圖

在840D sl系統(tǒng)中設(shè)置5 個(gè)進(jìn)給軸：X、Y、Z這3個(gè)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(jī)床主軸，以目標(biāo)設(shè)備為例，五軸數(shù)控機(jī)床軸參數(shù)配置如表1所示。

表1 840D sl五軸機(jī)床軸參數(shù)配置

雙擺頭型目標(biāo)機(jī)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(jī)床刀具基準(zhǔn)點(diǎn)的位移，Base_Tool-MD24550：表示機(jī)床刀具基準(zhǔn)點(diǎn)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(gè)矢量所示。3個(gè)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(shí)，由于矢量三角形封閉，因此只要計(jì)算出其中任意兩個(gè)矢量即可計(jì)算出第三個(gè)矢量，其他參數(shù)機(jī)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(biāo)定

五軸數(shù)控機(jī)床在線測量過程中，使用3D觸發(fā)式測頭進(jìn)行三維位置測量時(shí)，根據(jù)被測表面在檢測點(diǎn)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(gè)信號(hào)開關(guān)，通過測針與被測工件表面接觸產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，接收器將觸發(fā)信號(hào)傳輸給數(shù)控系統(tǒng)，測頭本身并沒有測量計(jì)算功能，需要通過運(yùn)行測量程序完成測量動(dòng)作和測量計(jì)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(biāo)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(shí)已經(jīng)預(yù)設(shè)好，只要對測頭輸出的高低電平信號(hào)參數(shù)進(jìn)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(shí)，測頭需要做在線信號(hào)診斷，方法如下：診斷信號(hào)方法1：進(jìn)入系統(tǒng)PLC變量界面，DB10.dbx107.0輸入PLC地址位，手動(dòng)觸發(fā)測頭1，上述PLC地址位有翻轉(zhuǎn)信號(hào)，說明測頭參數(shù)設(shè)置正確；診斷信號(hào)方法2：測量信號(hào)也可以根據(jù)測頭觸發(fā)時(shí)，執(zhí)行測量余程刪除指令MEAS，通過機(jī)床進(jìn)給是否停止來判斷信號(hào)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(jī)床運(yùn)行過程中，手動(dòng)觸發(fā)測頭1，查看X軸進(jìn)給是否停止。

圖2 測頭連接圖

2.2 2 測頭標(biāo)定

高精度3D測頭重復(fù)性精度為可達(dá)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(jī)床本身的定位精度、重復(fù)定位精度也會(huì)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(jìn)行正確的調(diào)整、校準(zhǔn)。840D sl數(shù)控系統(tǒng)可用系統(tǒng)自帶的工件測頭標(biāo)定功能對3D測頭進(jìn)行標(biāo)定，半徑標(biāo)定過程如下：測頭與NC系統(tǒng)將自動(dòng)運(yùn)行如下動(dòng)作與運(yùn)算：主軸定位至180°，測內(nèi)圓4點(diǎn)，主軸定位至0°，測內(nèi)圓4點(diǎn)，以上兩次測量結(jié)果運(yùn)算出環(huán)規(guī)內(nèi)孔準(zhǔn)確的中心位置。長度標(biāo)定過程如下：設(shè)定環(huán)規(guī)、標(biāo)定球或量塊等標(biāo)準(zhǔn)件的上表面為工件坐標(biāo)系Z向原點(diǎn)，激活設(shè)定過的工件坐標(biāo)系，調(diào)出測頭檢測標(biāo)準(zhǔn)件表面，標(biāo)定測頭長度，測頭標(biāo)定結(jié)果輸出如圖3所示。

圖3 測頭標(biāo)定結(jié)果

3 五軸轉(zhuǎn)換矢量校準(zhǔn)

為了獲得相對較高的在線測量精度，五軸機(jī)床需要在當(dāng)前工況下校驗(yàn)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(biāo)定循環(huán)CYCLE9960可以很方便地糾正用于定義運(yùn)動(dòng)學(xué)五軸變換的幾何矢量。通過測量標(biāo)準(zhǔn)球的空間位置，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)球的測量起始點(diǎn)[9]，使用CYCLE9960測量標(biāo)準(zhǔn)球的位置，標(biāo)定過程中分別測量兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，每個(gè)旋轉(zhuǎn)軸需要測量3個(gè)點(diǎn)，測量盡量均勻分布，3個(gè)測量點(diǎn)構(gòu)成三角形的內(nèi)角需大于15°，否則計(jì)算結(jié)果會(huì)不準(zhǔn)確。根據(jù)空間3個(gè)點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的幾何矢量位置，然后根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行五軸矢量校準(zhǔn)。

圖4、圖5為實(shí)驗(yàn)所用五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床標(biāo)定球及測頭安裝實(shí)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(biāo)定求得，標(biāo)定球直徑為25.001 0 mm。五軸標(biāo)定循環(huán)CYCLE9960參數(shù)設(shè)置如圖6所示。

圖4 標(biāo)定球和測頭

圖5 測量點(diǎn)選擇方案

圖6 五軸標(biāo)定循環(huán)CYCLE9960

測量結(jié)束后，校準(zhǔn)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(biāo)系。當(dāng)前和新計(jì)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(jī)床面板上NC start或者Reset按鍵來完成五軸機(jī)床回轉(zhuǎn)軸心、軸線等運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的矢量檢測與自動(dòng)補(bǔ)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(shí)驗(yàn)

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

4.1 五軸機(jī)床坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

CYCLE800 或TRAORI+TOROT是一種可用于五軸坐標(biāo)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(jī)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(jī)床把工件坐標(biāo)系通過“平移–旋轉(zhuǎn)–再平移”的方式轉(zhuǎn)移到當(dāng)前所需要加工的傾斜面上，實(shí)現(xiàn)空間工件坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)[10?11]。五軸機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)頭或者回轉(zhuǎn)臺(tái)，可以快速將刀具軸線自動(dòng)擺動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)換刀具長度和半徑補(bǔ)償?shù)姆较?，轉(zhuǎn)換前與轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)系變化如圖7所示。

圖7 五軸機(jī)床坐標(biāo)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(biāo)進(jìn)行測量：首先，測頭從當(dāng)前位置定位到待測量孔中心附近；其次，機(jī)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(dòng)擺動(dòng)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(jìn)行自動(dòng)測量；最后，調(diào)用數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)變量實(shí)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(diǎn)坐標(biāo)測量值

4.3 五軸機(jī)床工件測量程序?qū)嵗?/h3>

根據(jù)加工工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)采用沈陽機(jī)床GMC70400型雙擺頭AC結(jié)構(gòu)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)。試驗(yàn)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(yùn)用西門子840D sl系統(tǒng)的五軸標(biāo)定循環(huán)完成實(shí)驗(yàn)機(jī)床回轉(zhuǎn)軸心、軸線等運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)矢量校準(zhǔn)，減少了機(jī)床在線測量誤差?；?40D sl五軸加工過程中刀軸矢量的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，利用系統(tǒng)測量循環(huán)、坐標(biāo)變換代碼、宏程序進(jìn)行測量和運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了五軸加工過程中工件坐標(biāo)的自動(dòng)測量。在五軸加工過程中引進(jìn)工件坐標(biāo)自動(dòng)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(shí)省力，而且還提高了加工精度和效率，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。