基于華中數(shù)控系統(tǒng)HNC-818B/M的測(cè)頭對(duì)刀技術(shù)研究*

陳 華 唐小會(huì) 黃 文 王平江 陳東生

(①中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng)621900;②華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074)

磁流變拋光技術(shù)被譽(yù)為光學(xué)制造界的革命性技術(shù)，能快速獲得數(shù)十納米以下的高精度面形和1納米以下的表面質(zhì)量且近無(wú)亞表面缺陷，具有其它確定性拋光技術(shù)(如數(shù)控拋光)無(wú)法比擬的高精度、超光滑和高效率加工工藝優(yōu)勢(shì)。作為實(shí)現(xiàn)磁流變拋光技術(shù)的工藝裝備載體，自動(dòng)對(duì)刀測(cè)量是實(shí)現(xiàn)確定性拋光工藝的必要前提。通過(guò)對(duì)刀測(cè)量，建立工件坐標(biāo)系、確立工件坐標(biāo)原點(diǎn)相對(duì)機(jī)床坐標(biāo)系的位置，以便實(shí)現(xiàn)數(shù)控編程、進(jìn)行自動(dòng)化加工;通過(guò)對(duì)刀測(cè)量，實(shí)現(xiàn)工件位姿測(cè)量與調(diào)整的自動(dòng)化;通過(guò)對(duì)刀測(cè)量，實(shí)現(xiàn)磁流變拋光技術(shù)中諸如緞帶標(biāo)定等工藝需求。

中物院機(jī)械制造工藝研究所磁流變拋光項(xiàng)目組針對(duì)磁流變拋光工藝裝備應(yīng)用需求，前期開(kāi)展了基于西門子840D數(shù)控系統(tǒng)多功能對(duì)刀測(cè)量技術(shù)研究［1］，其研究成果應(yīng)用于多臺(tái)磁流變拋光工藝裝備中運(yùn)行良好。根據(jù)國(guó)家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”專項(xiàng)要求采用國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的要求，本文設(shè)計(jì)了基于華中數(shù)控系統(tǒng)HNC-818B/M的對(duì)刀測(cè)量方案，通過(guò)對(duì)刀測(cè)頭信號(hào)處理、驅(qū)動(dòng)程序與對(duì)刀功能模塊設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)了雷尼紹MCP測(cè)頭與華中數(shù)控系統(tǒng)的有機(jī)集成。對(duì)刀測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:重復(fù)對(duì)刀測(cè)量精度優(yōu)于2μm，對(duì)刀功能和安全可靠性滿足項(xiàng)目應(yīng)用需求。

1 應(yīng)用需求分析

在磁流變拋光工藝裝備中，需通過(guò)測(cè)頭對(duì)刀技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建立工件坐標(biāo)系、測(cè)量工件位姿、標(biāo)定緞帶等功能。根據(jù)某專項(xiàng)要求研制的磁流變拋光工藝裝備采用國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，測(cè)頭對(duì)刀技術(shù)必須與國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)有機(jī)集成，并滿足磁流變拋光工藝裝備中測(cè)頭對(duì)刀測(cè)量的以下幾個(gè)要求:(1)具備非常高的可靠性，避免測(cè)頭、拋光頭與工件發(fā)生碰撞。(2)測(cè)量精度高，具備較高的重復(fù)定位精度，重復(fù)定位精度優(yōu)于3μm，滿足定點(diǎn)拋光的工藝需求。(3)成本較低，滿足設(shè)備以較低的成本實(shí)現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)以上需求分析和機(jī)床控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，選擇華中數(shù)控系統(tǒng)HNC-818B/M。本文從測(cè)量功能和測(cè)量性能兩方面綜合考慮，設(shè)計(jì)了基于華中數(shù)控系統(tǒng)HNC-818B/M的測(cè)頭對(duì)刀方案，滿足磁流變拋光工藝對(duì)測(cè)頭對(duì)刀測(cè)量技術(shù)的多功能與高性能的工程應(yīng)用需求。

2 對(duì)刀測(cè)量方案設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)頭方案

目前對(duì)刀測(cè)量方法主要包括非接觸式測(cè)量和機(jī)械接觸式測(cè)量?jī)纱箢悾?-5］。非接觸式測(cè)量具有快速對(duì)刀、可檢測(cè)微細(xì)結(jié)構(gòu)、對(duì)工件無(wú)接觸損傷等優(yōu)點(diǎn)［6-8］，但以激光為代表的非接觸式測(cè)量方式存在對(duì)環(huán)境的敏感性及高成本等局限性，制約其廣泛推廣應(yīng)用。機(jī)械接觸式測(cè)量具有測(cè)量精度高、可靠性高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，使其在三坐標(biāo)測(cè)量、逆向工程研究等方面得到廣泛應(yīng)用。

在磁流變拋光工藝裝備中，加工工件為透明材料，采用激光非接觸測(cè)量精度較低，且實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三方向?qū)Φ稖y(cè)量的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性降低。因此，選用機(jī)械接觸式測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)對(duì)刀測(cè)量，其測(cè)量原理如圖1所示。測(cè)頭觸碰工件時(shí)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣、整形、濾波后，轉(zhuǎn)換為控制器可識(shí)別處理的信號(hào)，該信號(hào)上升沿觸發(fā)控制器進(jìn)行中斷處理，如記錄當(dāng)前坐標(biāo)值、調(diào)用運(yùn)動(dòng)子程序等。

因此，為確保測(cè)頭對(duì)刀滿足測(cè)量精度和可靠性要求，設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮以下下幾方面:(1)傳感器測(cè)頭具有較高的靈敏度和重復(fù)定位精度，以確保測(cè)頭觸碰工件時(shí)能觸發(fā)有效信號(hào)，并確保原始信號(hào)重復(fù)精度高。(2)信號(hào)轉(zhuǎn)換器處理原始信號(hào)響應(yīng)快，即:原始觸發(fā)信號(hào)經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換器處理后輸出信號(hào)，相對(duì)于原始信號(hào)的遲滯時(shí)間短，減少因遲滯導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)方向坐標(biāo)測(cè)量值與實(shí)際值之間的誤差值(可通過(guò)軟件補(bǔ)償)。(3)對(duì)刀測(cè)量程序中需進(jìn)行防碰撞設(shè)計(jì)，以保護(hù)測(cè)頭、拋光頭和工件，確保對(duì)刀測(cè)量過(guò)程可靠進(jìn)行。根據(jù)以上分析，傳感器測(cè)頭選用雷尼紹MCP(03M314)測(cè)頭，如圖2所示。該測(cè)頭價(jià)格相對(duì)機(jī)床用測(cè)頭便宜，其重復(fù)定位精度為±1μm，外接24 V電源、驅(qū)動(dòng)能力為20 mA。該測(cè)頭輸出信號(hào)不能直接輸入到控制器，需經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣、整形、濾波。雷尼紹公司為其測(cè)頭設(shè)計(jì)了接口模塊MI8-4，將測(cè)頭信號(hào)轉(zhuǎn)換成常閉或常開(kāi)觸點(diǎn)信號(hào)。但該接口模塊價(jià)格比較貴。根據(jù)其信號(hào)處理原理，設(shè)計(jì)并定制了信號(hào)處理模塊XH-2，如圖3所示，其成本低于接口模塊MI8-4價(jià)格的1/10。XH-2模塊的信號(hào)處理精度和可靠性在中物院機(jī)械制造工藝研究所研制的PKC1000-Q2磁流變拋光機(jī)床應(yīng)用中得到了充分的驗(yàn)證。

2.2 測(cè)頭與數(shù)控系統(tǒng)集成方案

在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)提供了實(shí)現(xiàn)兩傳感器測(cè)頭信號(hào)專用的軟硬件接口，在硬件上表現(xiàn)為其NCU的I/O接口X121的針腳9和針腳28，在軟件上表現(xiàn)為數(shù)據(jù)接口信號(hào)DB10.DBX107.0和DB10.DBX107.1。測(cè)頭輸出信號(hào)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行信號(hào)處理，分別輸入到西門子840D數(shù)控系統(tǒng)NCU的X121的針腳9和針腳28。PLC循環(huán)掃描檢測(cè)DB10.DBX107.0和DB10.DBX107.1，判斷測(cè)頭是否產(chǎn)生觸發(fā)上升沿信號(hào);NC程序中分別通過(guò)命令“MEAS=1”和“MEAS=2”，分別實(shí)現(xiàn)測(cè)頭1、測(cè)頭2在其觸發(fā)產(chǎn)生上升沿信號(hào)時(shí)記錄當(dāng)前坐標(biāo)值，并跳轉(zhuǎn)當(dāng)前NC程序段。

在華中數(shù)控系統(tǒng)HNC-818B/M中，系統(tǒng)沒(méi)有提供專用于測(cè)頭信號(hào)的軟硬件接口，原基于西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的對(duì)刀測(cè)量方案無(wú)法應(yīng)用于華中數(shù)控系統(tǒng)HNC-818B/M中。為基于華中數(shù)控系統(tǒng)HNC-818B/M實(shí)現(xiàn)對(duì)刀測(cè)量，中物院機(jī)械制造工藝研究所與華中科技大學(xué)合作開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)研究，中物院機(jī)械制造工藝研究所設(shè)計(jì)對(duì)刀測(cè)量技術(shù)方案，華中科技大學(xué)提供數(shù)控系統(tǒng)底層功能的開(kāi)發(fā)與支持，完成了基于華中數(shù)控系統(tǒng)HNC-818B/M的自動(dòng)對(duì)刀測(cè)量功能與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2.1 硬件設(shè)計(jì)方案

在華中數(shù)控系統(tǒng)HNC-818B/M中，通過(guò)NCUC總線式PLC的I/O單元實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)與數(shù)控系統(tǒng)之間的連接與數(shù)據(jù)交換。目前，華中數(shù)控系統(tǒng)暫未提供可供于特殊功能用途的高速I/O單元，其總線式PLC的開(kāi)關(guān)量輸入延遲遠(yuǎn)小于第一級(jí)PLC程序掃描周期時(shí)間(1 ms)。因數(shù)控系統(tǒng)響應(yīng)延遲導(dǎo)致的定位誤差，計(jì)算對(duì)刀測(cè)量速度如下:

因此，將測(cè)頭觸發(fā)信號(hào)編程至第一級(jí)PLC程序中，理論上，對(duì)刀測(cè)量時(shí)機(jī)床進(jìn)給速率低于0.06 m/min時(shí)，由于軟硬件響應(yīng)延遲導(dǎo)致的測(cè)量誤差將小于1μm。

華中數(shù)控系統(tǒng)總線式PLC單元PNP數(shù)字輸入模塊檢測(cè)“1”信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電流要求大于40 mA。雷尼紹MCP測(cè)頭觸發(fā)信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理模塊XH-2調(diào)理后，輸出+24 V信號(hào)、驅(qū)動(dòng)電流約20 mA，而繼電器+24 V線圈的驅(qū)動(dòng)電流一般大于36 mA。因此，XH-2輸出信號(hào)無(wú)法直連驅(qū)動(dòng)華中數(shù)控系統(tǒng)I/O模塊的數(shù)字輸入點(diǎn)，也無(wú)法采用普通繼電器在XH-2輸出信號(hào)和華中數(shù)控I/O模塊的數(shù)字輸入點(diǎn)間中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。在未對(duì)信號(hào)處理模塊XH-2進(jìn)行修改、調(diào)整其輸出電流的情況下，測(cè)頭信號(hào)處理硬件模塊中臨時(shí)增加了電流繼電器，將XH-2輸出信號(hào)中轉(zhuǎn)至華中數(shù)控I/O模塊的數(shù)字輸入點(diǎn)，其測(cè)量電氣原理圖如圖4所示。

2.2.2 軟件方案

測(cè)頭對(duì)刀流程如圖5所示，測(cè)頭信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理模塊、電流繼電器和華中數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字輸入點(diǎn)后，控制器循環(huán)掃描檢測(cè)觸發(fā)信號(hào)是否產(chǎn)生。當(dāng)控制器檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)后，NC根據(jù)用戶程序執(zhí)行中斷和跳轉(zhuǎn)。通過(guò)配置系統(tǒng)參數(shù)表，并根據(jù)工藝測(cè)量需求編制NC子程序，實(shí)現(xiàn)工件坐標(biāo)系建立、位姿測(cè)量、緞帶標(biāo)定等各種測(cè)量功能。

測(cè)頭對(duì)刀功能的實(shí)現(xiàn)，主要基于數(shù)控系統(tǒng)提供的程序跳轉(zhuǎn)功能，即華中數(shù)控系統(tǒng)HNC-818B/M提供的G31指令［9～10］:在下位PLC程序中，設(shè)置測(cè)頭觸發(fā)信號(hào)(X3.7)的上升沿激活程序跳轉(zhuǎn)功能(ESC BLK)，如圖6所示;下位PLC軟件程序循環(huán)掃描，X3.7上升沿使數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行的NC程序G31.1指令生效，跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的程序段，通過(guò)NC記錄并存儲(chǔ)當(dāng)前坐標(biāo)位置至宏變量中。此外，通過(guò)HNC-818B/M提供的PMC軸功能，實(shí)現(xiàn)測(cè)頭非正常觸發(fā)情況下各軸按順序進(jìn)行安全回退，以保護(hù)工件、拋光頭、測(cè)頭及機(jī)床。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 對(duì)刀測(cè)量實(shí)驗(yàn)方案

測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用了沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司基于華中數(shù)控HNC-818B/M研制的VMC850E立式加工中心。為便于安裝MCP測(cè)頭，對(duì)刀測(cè)量實(shí)驗(yàn)采用了測(cè)頭倒裝式，如圖7所示。MCP測(cè)頭倒置安裝固定于虎鉗上(虎鉗固定于機(jī)床X-Y工作臺(tái))。

為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的可行性，重點(diǎn)考核測(cè)頭對(duì)刀重復(fù)定位精度，設(shè)計(jì)了如下測(cè)頭對(duì)刀NC程序:測(cè)試過(guò)程中只移動(dòng)X軸，其余各軸(包括主軸、Z軸、Y軸)固定不動(dòng)，以確保多次重復(fù)測(cè)量點(diǎn)的位置保持固定。由于雷尼紹MCP測(cè)頭靈敏度較高，采用了快速粗對(duì)刀、慢速精對(duì)刀的測(cè)量方法，減少測(cè)量信號(hào)響應(yīng)遲滯時(shí)間引入的測(cè)量誤差，以提高其重復(fù)定位精度。

G54 G90 G40;動(dòng)態(tài)設(shè)置G54全為0，絕對(duì)編程方式

G01 X10 F1000;測(cè)頭快速移動(dòng)到X10行程處

G01 X20 F500;測(cè)頭較快速移動(dòng)到X20行程處

G31 L1 X70 F100;沿X正向移動(dòng)直到測(cè)頭第一次觸發(fā)(粗對(duì)刀測(cè)量)

#54020=#1110;存儲(chǔ)粗對(duì)刀測(cè)量X軸坐標(biāo)位置

G01 X［#1340-#1030-5］F400;X軸快速回退5 mm

G31 L1 X［#1340-#1030+1］F50;沿X正向移動(dòng)直到測(cè)頭第二次觸發(fā)(精對(duì)刀測(cè)量)

#54010=#1110;存儲(chǔ)精對(duì)刀測(cè)量X軸坐標(biāo)位置

M30;程序結(jié)束并返回程序頭

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

重復(fù)多次運(yùn)行以上對(duì)刀測(cè)量NC程序，測(cè)量并讀取宏變量#54010，記錄結(jié)果如下:

如表1所示，各次測(cè)量偏差不大于0.001 1 mm。測(cè)量數(shù)據(jù)表明，該方案的測(cè)量器件和測(cè)量方法，應(yīng)用于華中數(shù)控系統(tǒng)HNC-818B/M，滿足測(cè)頭對(duì)刀測(cè)量功能和性能兩方面的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于華中數(shù)控系統(tǒng)HNC-818B/M設(shè)計(jì)的測(cè)頭對(duì)刀測(cè)量方案，在配置HNC-818B/M的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床VMC850E上得以驗(yàn)證，重復(fù)測(cè)量精度優(yōu)于2μm。結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)底層支持設(shè)計(jì)對(duì)刀測(cè)量安全控制策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀測(cè)量安全可靠性滿足磁流變拋光工藝的應(yīng)用需求，并實(shí)現(xiàn)高檔工藝裝備核心功能模塊的國(guó)產(chǎn)化。

表1 對(duì)刀測(cè)量結(jié)果 mm

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