摘要：針對西門子機(jī)床在線檢測頭安裝應(yīng)用過程的難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)問題，分析雷尼紹測頭和信號接收器的基本結(jié)構(gòu)，闡述其裝配方法以及與機(jī)床的線路連接、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)通調(diào)試方法等；調(diào)試測頭與接收器的光電信號對碼，建立測頭和接收器之間的信號同步通信；檢驗裝在主軸上刀具端的測頭或者裝在機(jī)床工作臺上工件端的測頭是否連接正常；通過對內(nèi)拐角幾何特征的檢測宏程序編制及運(yùn)用實(shí)踐，驗證測頭系統(tǒng)在西門子機(jī)床的在線檢測功能，檢驗系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)對超差數(shù)據(jù)的報警反饋，提高智能化在線檢測精密設(shè)備的運(yùn)用能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)床；在線測頭；接收器連接；對碼步驟；宏程序驗證

中圖分類號：TG659文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1671-5276（2024）06-0057-05

Abstract：In view of the difficulties and key technical problems in installation and application of the Siemens machine tool online detection head， this paper analyzes the basic structure of Renishaw probe and signal receiver， elaborates its assembly method and the line connection with the machine tool， parameter setting and data communication debugging methods. The photoelectric signal matching between the probe and the receiver is debugged， and the signal synchronization communication between the probe and the receiver is established. The normal connecting status of the probe installed on the tool end of the spindle or the probe installed on the workpiece end of the machine tool table is checked. Through the preparation and application of macro program for the detection of geometric features of inner corners， the online detection function of the probe system in Siemens machine tools is verified， and whether the system can realize alarm feedback for out-of-tolerance data is tested， which improves the application performance of intelligent online detection precision equipment.

Keywords：machine tool; online probe; receiver connection; code matching steps; macro program verification

0引言

當(dāng)前五軸數(shù)控加工機(jī)床的應(yīng)用越來越普及，廣大用戶對五軸加工技術(shù)的掌握也明顯提升。隨著產(chǎn)品精度要求的提升和加工自動化程度的提高，機(jī)床自身精度檢測、補(bǔ)償和機(jī)內(nèi)自動測量技術(shù)的應(yīng)用受到空前的重視。國內(nèi)許多現(xiàn)代制造企業(yè)為了適應(yīng)技術(shù)發(fā)展和市場競爭，開始在數(shù)控加工過程實(shí)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測和精益生產(chǎn)模式，推廣運(yùn)用觸發(fā)測頭進(jìn)行數(shù)控機(jī)床在線加工精度檢測。其特點(diǎn)是在完成數(shù)控加工程序后，零件保持不動，不需拆下，隨時在機(jī)床上編制測頭宏程序進(jìn)行檢測。自動判斷測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)公差之間的差別，如發(fā)現(xiàn)加工誤差及時予以糾正，從而提高數(shù)控機(jī)床加工系統(tǒng)精度，形成智能化的數(shù)控加工質(zhì)量控制閉環(huán)體系。但以雷尼紹品牌等為代表的精密品質(zhì)觸發(fā)測頭系統(tǒng)，設(shè)備精度高、機(jī)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、價格昂貴，在西門子機(jī)床上的安裝調(diào)試應(yīng)用過程復(fù)雜，涉及紅外通信技術(shù)和數(shù)控機(jī)床宏程序應(yīng)用等多方面技術(shù)［1］，因此成為許多企業(yè)普及推廣運(yùn)用在線檢測的難點(diǎn)。本文通過第二代雷尼紹觸發(fā)測頭系統(tǒng)在西門子銑削加工中心機(jī)床上的裝配調(diào)試過程中難點(diǎn)技術(shù)環(huán)節(jié)的剖析，運(yùn)用典型的內(nèi)拐角幾何特征檢測宏程序進(jìn)行了驗證研究［2-4］，具體過程詳述如下。

1測頭和接收器組成及機(jī)床上的安裝

RMP60觸發(fā)式測頭是雷尼紹公司開發(fā)的加工中心機(jī)床新一代光電在線測量系統(tǒng)，采用跳頻（FHSS）技術(shù)，工作頻帶為2.4GHz，比較適合于大型精密零件加工時的在線檢測及精密模具加工的在線檢測，具有堅固性強(qiáng)和超程大的特點(diǎn)，能確保信號傳輸不受干擾。RMP60觸發(fā)式測頭是一個軟硬件集成的系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)由接觸觸發(fā)測頭、RMI信號接收器傳輸系統(tǒng)、接口裝置和西門子加工中心機(jī)床系統(tǒng)組成。測頭與接收器之間的通信信號必須實(shí)現(xiàn)無干涉?zhèn)鬏敚拍軐?shí)現(xiàn)保證在線檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時準(zhǔn)確傳輸。其中RMI信號接收器把從觸發(fā)測頭的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并經(jīng)過MI 12接口裝置傳遞到機(jī)床控制器［5-7］。

1.1測頭及信號接收器組成和安裝

測頭及信號接收器的安裝，除必須按照正確的安裝步驟外，安裝的位置還需考慮操作使用方便，盡量減少與機(jī)床加工動作、其他刀具換刀和切削液的干涉等［4］。用于數(shù)控機(jī)床在線檢測的RMP60觸發(fā)測頭內(nèi)部有電池和LED燈組，內(nèi)部采用盤形三點(diǎn)式觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，機(jī)械式開關(guān)觸點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)實(shí)耐用。圓周方向預(yù)行程較大，檢測精度可達(dá)1μm。RMI信號接收器的作用是把測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑C(jī)床控制器中與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)進(jìn)行比較和邏輯運(yùn)算，圖2所示即為RMP60觸發(fā)測頭內(nèi)部電池安裝和觸發(fā)力度調(diào)節(jié)方法［5］。

安裝接收器時先在機(jī)床內(nèi)部罩板選擇可靠位置鉆孔，使用緊固螺絲穩(wěn)固安裝好裝配支架之后，再將RMI信號接收器裝上支架，調(diào)整接收器朝向主軸測頭方向后，擰緊支架側(cè)部的固定螺絲。注意安裝RMI接收器時電纜應(yīng)從較高的一側(cè)伸出以使冷卻液方便流出。

1.2RMP60測頭和RMI接收器的連接調(diào)試

為保證測頭和接收器的正常連接工作，首先應(yīng)進(jìn)行測頭與信號接收器的光電信號對碼連接調(diào)試。如圖3所示，對碼應(yīng)在信號接收器開啟狀態(tài)下按照表1的步驟進(jìn)行對碼連接，調(diào)試成功后，才能建立起測頭和接收器之間的信號同步通信。

作為精密貴重測量設(shè)備，測頭和信號接收器的安裝接線需嚴(yán)格按照線路圖和要求實(shí)施。為保證測頭和接收器的正常連接，首先應(yīng)進(jìn)行測頭與接收器的光電信號對碼連接調(diào)試，對碼連接調(diào)試成功后，才能建立起測頭和接收器之間的信號同步通信。RMP60測頭和RMI組裝時的對碼連接調(diào)試步驟如表1所示。

2測頭和接收器與機(jī)床的接線調(diào)試

為保證機(jī)床在線檢測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)傳遞，測頭和信號接收器的安裝接線需嚴(yán)格按照線路圖和要求實(shí)施，因此測頭與接收器在機(jī)床上的正確安裝與調(diào)試，是在線檢測成功與否的決定性環(huán)節(jié)［6］。

2.1測頭的連接及配對

測頭與接收器之間必須實(shí)現(xiàn)無干涉信號傳輸，并保證機(jī)床在線檢測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)傳遞。為此測頭信號與機(jī)床系統(tǒng)之間要進(jìn)行正確的連接。西門子840D型數(shù)控系統(tǒng)提供有兩個測頭信號輸入接口。測頭信號端口連接到NCU的X121插頭上，X121則為37芯的D型插頭，其具體的功能接線如表2所示。

如表2所示，X5：2、X5：3端口連接第一測頭信號輸入，而第一測頭一般為連接工作臺上的工件測頭；X10：2、X10：3端口連接第二測頭信號輸入，第二測頭連接機(jī)床主軸上的刀具測頭一端。

將接收器線纜拉到機(jī)床電氣柜內(nèi)，根據(jù)接收器線纜顏色進(jìn)行接線，RMP60觸發(fā)測頭與西門子840D機(jī)床的接線圖，如圖4所示。

當(dāng)圖4中所有端口接線完畢后，需要檢驗裝在主軸上刀具端的測頭或者裝在機(jī)床工作臺上工件端的測頭是否連接正常。其中驗證工件端的測頭方法是：進(jìn)入MENUSELECT—Diagnosis—PLC Status Series startup菜單中，DB10DBX107.1即為工件測頭開關(guān)參數(shù)項，其默認(rèn)狀態(tài)為0，當(dāng)在機(jī)床上執(zhí)行M59指令后，再用手觸摸測頭，DB10DBX107.1的值如果變?yōu)?，則表明工件測頭接線正確。

2.2西門子840D系統(tǒng)的測量端口設(shè)置

接收器通過MI 12接口裝置或MI 12接口電路板與西門子840D機(jī)床控制系統(tǒng)的RS232C端口連接，進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的通信傳遞。RS232C端口的7、8、10、11端子既可以定義成輸入，也可以定義成輸出。CU參數(shù)P0728設(shè)置端子的輸入、輸出方式，其中0為輸入，1為輸出；X122默認(rèn)就是輸入方式，不用再修改。針對MD參數(shù)項進(jìn)行設(shè)置修改：

X132.11端口改為如下輸入方式：

至此完成信號接收器與機(jī)床的數(shù)據(jù)通信參數(shù)設(shè)置。

3測頭系統(tǒng)程序設(shè)定

在測頭和信號接收器安裝完畢之后，應(yīng)對光電傳輸功能和電路連接情況進(jìn)行檢查試驗。再導(dǎo)入雷尼紹公司針對西門子機(jī)床開發(fā)的專用宏程序。通過宏程序?qū)缀翁卣鞯臋z測實(shí)踐應(yīng)用，驗證測頭系統(tǒng)在線測量能否順利進(jìn)行，并檢驗系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)對超差數(shù)據(jù)進(jìn)行報警反饋［7］。

3.1宏程序文件內(nèi)容導(dǎo)入

通過西門子加工中心機(jī)床的RS232通信端口可將宏程序的文件傳入系統(tǒng)。進(jìn)入主菜單MENU SELECT—Service—Date in—PG—OK專用宏程序文件內(nèi)容有如下幾項：

將上述導(dǎo)入的宏程序粘貼到機(jī)床數(shù)據(jù)管理中啟動即可。安裝成功后，無論是測頭安裝在主軸刀具端上還是安裝在機(jī)床工作臺上的工件端，刀具測頭的參數(shù)就被設(shè)置到RENT［*］中，工件測頭的參數(shù)都將設(shè)置到RENP［*］。其中常用的設(shè)置如：RENP［4］=0時，系統(tǒng)的語言為中文簡體，當(dāng)RENP［4］=1時，表明系統(tǒng)的語言選擇為英語；當(dāng)RENP［7］=1時，表明第一測頭并為常開狀態(tài)；RENP［7］=2時，則表明第二測頭并為常開狀態(tài)［8］。

雷尼紹公司針對各種不同的加工中心機(jī)床系統(tǒng)提供了相應(yīng)的在線應(yīng)用軟件，其中為西門子加工中心機(jī)床840D系統(tǒng)提供的軟件主要內(nèi)容如表3所示。

刀具測頭的子程序文件為： L901；L902；L920；L921；L922；L923，應(yīng)用于不用幾何類型的工件；測頭檢測的子程序文件為：L9700；L9701；L9702；L9710；L9721；；L9722；L9724；L9725；L9726；L9727；L9730；L9731；L9732；L9800；L9801；L9802；L9803；L9804；L9810；L9811；L9812；L9814；L9815；L9816；L9817；L9818； L9819；L9820；L9821；L9822；L9823；L9830；L9831；L9832；L9833；L9834；L9835；L9843等。將以上文件全部都通過RS232通信端口導(dǎo)入到系統(tǒng)后，每個文件都需要在西門子機(jī)床840D系統(tǒng)上運(yùn)行“LOAD TO NC”才能生效。

3.2測頭接口信號連接狀態(tài)驗證

在接口模塊連接正常情況下，測頭上有2個綠燈，狀態(tài)燈應(yīng)為綠，然后把光源擋上后，狀態(tài)燈為紅綠變化，確認(rèn)接口信號狀態(tài)正確。接下來在子程序L9724/RENP［7］鐘指定連接測頭所使用的接口信號通道。信號通道設(shè)定如下：

設(shè)定好信號通道后，繼續(xù)編輯下面程序并自動運(yùn)行該程序檢驗：

G00G90G54X0Y0；

D1Z150；探針的理論刀長

L9800；清除R變量

R24=150；x 軸正向移動 150mm

R9=2000；進(jìn)給倍率2000

L9810

M30

測頭x軸方向完成移動150mm后，用手觸碰測頭探針部分，發(fā)現(xiàn)觸碰后機(jī)床x軸停止，說明系統(tǒng)連接無誤，可正常使用。

3.3在西門子機(jī)床PLC中增加測頭觸發(fā)號

在PLC中增加測頭觸發(fā)號之后，就可以通過西門子機(jī)床面板的M59數(shù)控指令打開工件測頭使能，M60指令則關(guān)閉工件測頭使能。在PLC中增加測頭觸發(fā)號的程序如下：

3.4內(nèi)拐角的幾何形狀檢測

如圖5所示，通過對內(nèi)拐角的幾何形狀檢測，驗證測頭是否能夠順利進(jìn)行在線檢測。為了測頭安全起見，測量過程工件只是呈非緊固狀態(tài)放置在工作臺上即可。通過測頭對內(nèi)拐角幾何形狀4個點(diǎn)的宏程序檢測運(yùn)行過程及比較，便可以驗證出測頭安裝和調(diào)試的情況。被測量的內(nèi)拐角工件的標(biāo)準(zhǔn)幾何數(shù)據(jù)已經(jīng)事先知道，將被測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比較便可得出測頭運(yùn)行情況正確與否的結(jié)論［9］。

3.5檢測結(jié)果

該內(nèi)拐角的幾何形狀檢測需針對4個點(diǎn)的定位誤差進(jìn)行檢測判斷，某次檢測結(jié)果如表4所示。根據(jù)加工精度，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.05mm，其中b點(diǎn)誤差為0.07mm，大于0.05mm，此時測頭信號燈報警提示需要對b點(diǎn)進(jìn)行尺寸補(bǔ)償，直至4個點(diǎn)誤差全部小于0.05mm，達(dá)到要求。

4結(jié)語

在線測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，解決了數(shù)控加工中分工檢測方式帶來的搬運(yùn)、多次裝夾和重復(fù)檢測等因素造成的檢測誤差問題，實(shí)現(xiàn)了加工與檢測工序的快速最佳配合。測頭在線檢測關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于在線測頭與機(jī)床的配合，因此需要仔細(xì)研究。通過對雷尼紹測頭的數(shù)控加工應(yīng)用，得出以下結(jié)論。

1）研究RMP60觸發(fā)測頭和RMI信號接收器的基本結(jié)構(gòu)，解決西門子機(jī)床在線檢測頭安裝應(yīng)用過程的難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)問題，清楚其裝配方法以及與機(jī)床的線路連接、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)通信調(diào)試方法等。

2）通過對內(nèi)拐角幾何特征的檢測宏程序編制及運(yùn)用實(shí)踐，測試驗證測頭系統(tǒng)在西門子機(jī)床的在線檢測功能，從而提高智能化在線檢測精密設(shè)備的運(yùn)用能力。

3）在線檢測能實(shí)時監(jiān)控零件關(guān)鍵尺寸質(zhì)量，提高精密制造過程質(zhì)量控制能力，大幅度提高產(chǎn)品合格率，提升經(jīng)濟(jì)效益。同時也推動數(shù)控在線檢測技術(shù)的設(shè)備、軟件和人才發(fā)展，并將產(chǎn)生更廣闊的應(yīng)用前景和較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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收稿日期：20230329

基金項目：2020年廣東省教育廳特色創(chuàng)新青年專項（自然科學(xué)）項目（2020KQNCX130）

第一作者簡介：廖志青（1983—），男，廣東英德人，實(shí)驗師，本科，研究方向為機(jī)械工程及自動化技術(shù)，121375423@qq.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.011