基於840D sl數控系統的雙測頭測量系統的應用

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詳細闡述了雙測頭測量系統在西門子840D sl數控系統的雙主軸加工中心上對工件進行自動測量的方法，包括硬體連線、引數設定和控制程式的應用。

1 序言

在零部件高精度、高質量、高效率的加工過程中，測量技術起著非常重要的作用。由於毛坯存在差異，所以依靠機床本身來控制加工精度是很難實現的。採用精密測頭對工件進行實時測量，是機床加工過程中的重要環節，測量系統原理如圖1所示。

圖1　測量系統原理

測頭作為測量系統的訊號感知部件，可使機床在毛坯加工過程中實現對加工尺寸的自動測量。機床對測頭反饋回來的測量結果進行處理、分析後，自動修改加工程式，提高加工精度。數控機床不僅具有機加工功能，同時還兼具測量機的功能，進一步提高了加工效能。

測頭測量裝置與數控系統的整合

在汽車企業的動力總成機加工線應用主動測量技術比較廣泛，例如缸體缸蓋生產線機加工裝置引進的MARPOSS T25測頭和P1SRW60000接收器，配合西門子SINUMERIK 840D sl中高階數控系統，測頭與數控系統連線應用可以實現工件測量功能。機床的冷機熱機狀態對關鍵尺寸影響較大，透過用測頭測量消除誤差十分重要。MARPOSS T25測頭是一種觸發式測頭，採用無線電傳輸觸發測頭系統傳輸模式。當系統執行測量動作時，T25測頭髮出取樣脈衝訊號，接收裝置接收訊號後，傳輸至NCU（Numerical Control Unit，中央控制單元），NCU經過運算分析，確定工件或夾具的座標偏差是否在規定公差範圍內，並根據測量結果自動修正座標系的偏置量，使同樣的機床能加工出更高精度的零件。

2.1 硬體組成與引數設定

本案例使用的測量裝置為MARPOSS T25測頭和P1SRW60000接收器，配合西門子SINUMERIK 840D sl中高階數控系統。MARPOSS測頭系統由發射器和整合介面的無線電接收器構成，適用於中大型機床和五軸機床；其堅固穩定的設計，可適應苛刻的加工環境；傳輸頻率2。4GHz，傳輸距離長達15m，並且擁有卓越的抗干擾性。

SINUMERIK 840D sl的數控單元作為數控機床的中央控制單元，負責整個機床的邏輯控制功能，主要由一個COM CPU板、一個PLC CPU板和一個DRVIVE板組成。硬體接線如圖2所示，探針1對應的主軸1測頭接收器連線到NCU的X122介面單元上的10針埠，而探針2對應的主軸2測頭接收器則連線到X122介面單元上的11針埠。透過修改SINUMERIK 840D sl引數P680，可以實現手動設定測量輸入介面。另外，MD13200可以配置高低電平有效。

圖2　硬體接線

系統連線正常通電後，MDA或自動模式下用M指令啟動探針，探針1、2的測量輸入可以透過PLC側的DB10。DBX107。0和DB10。DBX107。1監控。雙主軸機床有兩個獨立的Z向進給，共用X、Y方向的進給。測量時，X、Y、Z1為第一套測頭系統，X、Y、 Z2為第二套測頭系統，分別進行測量。

2.2 PLC控制程式

PLC程式透過M38啟用主軸1測頭的功能（見圖3），啟用主軸2測頭的功能則透過控制M37完成（見圖4），PLC控制M39則可關閉所有測頭功能。當NCU側接收到一個M功能時，PLC側對應的訊號功能就會被啟用，從而實現NCU與PLC的資訊交換，啟用或關閉測量頭使能等機床輔助功能。

圖3　M38啟用主軸1測頭

圖4　M37啟用主軸2測頭

當NCU接受M38功能請求後，啟用主軸1測頭，只有當測頭被啟用後，才能執行下一條指令，否則會出現因測頭未被完全啟用而導致測量資料不準確的情況。由於M0～M99是動態M功能，一般不具備讀入禁止功能，所以執行M38功能後要在PLC中增加讀入禁止功能，執行M38功能時會產生一條510116的操作資訊，顯示測頭處於開啟狀態。當測頭被成功啟用後，若操作資訊的條件不滿足邏輯關係則會自動從HMI中消失。根據Doconcd手冊的提示資訊可知，510116～510123這類操作資訊具有讀入禁止與進給禁止功能。利用這些特殊的操作資訊使M38（啟用主軸1測頭功能）、M37（啟用主軸2測頭功能）具有讀入禁止與進給禁止的功能，確保啟用完成後才進行測量，進而保證了測量結果的準確性。

2.3 NC控制程式

1）使軸移動到測量工件上的實際位置，在測頭髮出脈衝沿時，刪除實際位置與給定位置之間的剩餘行程，並將軸的實際位置寫入儲存單元中。

2 ）設定測量值公差帶。當 GUD 全局變數測量值 M E A S U R I N G_VA L U E_Z 超過UPPER_TOLERANCE_LIMIT或小於LOWER_TOLERANCE_LIMIT時，輸出65952的NC報警。

3）記錄測量結果值。使用WRITE指令可以將零件程式中的段落或資料寫入到指定檔案（日誌檔案）的末尾。利用此功能記錄兩個測頭測量值結果（見圖5），分號作為分隔符進行間隔，存於子程式資料夾中。用隨身碟複製這些檔案，在電腦Excel表格中可直接開啟，勾選分號為分隔符，在預覽視窗可以看到測量結果清晰顯示在Excel表格中，便於管理測量值的資料並保證資料的可追溯性。

圖5　記錄測量值結果

4）測量頻次設定。在實際生產中，並非對每一個工件都進行測量，本例中透過設定會依次增加測量件之間的間隔（見圖6）。加工中心從冷機到熱機期間，測量值會有波動，當加工中心熱機完成後，測量值則會趨於穩定，這時就不需要小頻次測量，頻次曲線如圖7所示。

圖6　頻次設定

圖7　頻次曲線

5）修正座標系。透過CFINE精偏指令可以將測量後得到的補償值寫入到雙主軸的各個座標系中，修正座標系補償功能。雙主軸機床的座標系補償值有X、Y、Z1和Z2四個方向，在程式中分別對應變數R320、R321、R322和R323。

2.4 軟體監控

SinuCom NC是一款針對西門子840D sl數控系統和驅動資料分析、管理的工具。該軟體包支援對SINUMERIK 840D sl控制系統的簡便、高效除錯，所包含的程式提供豐富的機床除錯產品，包括跟蹤功能、安全整合驗收測試、生成PC卡映像檔案、系列除錯管理以及數控使用者資料的傳輸。

SinuCom NC軟體提供了很多診斷和除錯工具，比如FFS、ARC、Trace等，其中Trace功能可以對系統狀態、IO狀態、伺服功能、PLC/NC變數等進行全方位監控。軟體中新增測頭訊號，可以透過事件或手動觸發對變數進行記錄。透過這些記錄，使用者可以方便地監控測頭執行狀態，也方便使用者診斷故障。

在SinuCom NC Trace中完成配置，然後將該配置執行到系統中，Trace結果會自動在SinuCom NC Trace中顯示，如圖8所示。