基于華中數控系統HNC-818B/M的測頭對刀技術研究*

陳 華 唐小會 黃 文 王平江 陳東生

(①中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽621900;②華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢430074)

磁流變拋光技術被譽為光學制造界的革命性技術，能快速獲得數十納米以下的高精度面形和1納米以下的表面質量且近無亞表面缺陷，具有其它確定性拋光技術(如數控拋光)無法比擬的高精度、超光滑和高效率加工工藝優勢。作為實現磁流變拋光技術的工藝裝備載體，自動對刀測量是實現確定性拋光工藝的必要前提。通過對刀測量，建立工件坐標系、確立工件坐標原點相對機床坐標系的位置，以便實現數控編程、進行自動化加工;通過對刀測量，實現工件位姿測量與調整的自動化;通過對刀測量，實現磁流變拋光技術中諸如緞帶標定等工藝需求。

中物院機械制造工藝研究所磁流變拋光項目組針對磁流變拋光工藝裝備應用需求，前期開展了基于西門子840D數控系統多功能對刀測量技術研究［1］，其研究成果應用于多臺磁流變拋光工藝裝備中運行良好。根據國家“高檔數控機床與基礎制造裝備”專項要求采用國產數控系統的要求，本文設計了基于華中數控系統HNC-818B/M的對刀測量方案，通過對刀測頭信號處理、驅動程序與對刀功能模塊設計等，實現了雷尼紹MCP測頭與華中數控系統的有機集成。對刀測量實驗結果表明:重復對刀測量精度優于2μm，對刀功能和安全可靠性滿足項目應用需求。

1 應用需求分析

在磁流變拋光工藝裝備中，需通過測頭對刀技術，實現建立工件坐標系、測量工件位姿、標定緞帶等功能。根據某專項要求研制的磁流變拋光工藝裝備采用國產數控系統，測頭對刀技術必須與國產數控系統有機集成，并滿足磁流變拋光工藝裝備中測頭對刀測量的以下幾個要求:(1)具備非常高的可靠性，避免測頭、拋光頭與工件發生碰撞。(2)測量精度高，具備較高的重復定位精度，重復定位精度優于3μm，滿足定點拋光的工藝需求。(3)成本較低，滿足設備以較低的成本實現較高的經濟效益。根據以上需求分析和機床控制系統總體設計，選擇華中數控系統HNC-818B/M。本文從測量功能和測量性能兩方面綜合考慮，設計了基于華中數控系統HNC-818B/M的測頭對刀方案，滿足磁流變拋光工藝對測頭對刀測量技術的多功能與高性能的工程應用需求。

2 對刀測量方案設計

2.1 測頭方案

目前對刀測量方法主要包括非接觸式測量和機械接觸式測量兩大類［2-5］。非接觸式測量具有快速對刀、可檢測微細結構、對工件無接觸損傷等優點［6-8］，但以激光為代表的非接觸式測量方式存在對環境的敏感性及高成本等局限性，制約其廣泛推廣應用。機械接觸式測量具有測量精度高、可靠性高、成本較低等優點，使其在三坐標測量、逆向工程研究等方面得到廣泛應用。

在磁流變拋光工藝裝備中，加工工件為透明材料，采用激光非接觸測量精度較低，且實現X、Y、Z三方向對刀測量的結構復雜、可靠性降低。因此，選用機械接觸式測量方法實現對刀測量，其測量原理如圖1所示。測頭觸碰工件時產生一個觸發信號，該信號經過信號轉換器進行采樣、整形、濾波后，轉換為控制器可識別處理的信號，該信號上升沿觸發控制器進行中斷處理，如記錄當前坐標值、調用運動子程序等。

因此，為確保測頭對刀滿足測量精度和可靠性要求，設計中重點考慮以下下幾方面:(1)傳感器測頭具有較高的靈敏度和重復定位精度，以確保測頭觸碰工件時能觸發有效信號，并確保原始信號重復精度高。(2)信號轉換器處理原始信號響應快，即:原始觸發信號經信號轉換器處理后輸出信號，相對于原始信號的遲滯時間短，減少因遲滯導致運動方向坐標測量值與實際值之間的誤差值(可通過軟件補償)。(3)對刀測量程序中需進行防碰撞設計，以保護測頭、拋光頭和工件，確保對刀測量過程可靠進行。根據以上分析，傳感器測頭選用雷尼紹MCP(03M314)測頭，如圖2所示。該測頭價格相對機床用測頭便宜，其重復定位精度為±1μm，外接24 V電源、驅動能力為20 mA。該測頭輸出信號不能直接輸入到控制器，需經信號轉換器進行采樣、整形、濾波。雷尼紹公司為其測頭設計了接口模塊MI8-4，將測頭信號轉換成常閉或常開觸點信號。但該接口模塊價格比較貴。根據其信號處理原理，設計并定制了信號處理模塊XH-2，如圖3所示，其成本低于接口模塊MI8-4價格的1/10。XH-2模塊的信號處理精度和可靠性在中物院機械制造工藝研究所研制的PKC1000-Q2磁流變拋光機床應用中得到了充分的驗證。

2.2 測頭與數控系統集成方案

在西門子840D數控系統中，系統提供了實現兩傳感器測頭信號專用的軟硬件接口，在硬件上表現為其NCU的I/O接口X121的針腳9和針腳28，在軟件上表現為數據接口信號DB10.DBX107.0和DB10.DBX107.1。測頭輸出信號通過信號轉換模塊進行信號處理，分別輸入到西門子840D數控系統NCU的X121的針腳9和針腳28。PLC循環掃描檢測DB10.DBX107.0和DB10.DBX107.1，判斷測頭是否產生觸發上升沿信號;NC程序中分別通過命令“MEAS=1”和“MEAS=2”，分別實現測頭1、測頭2在其觸發產生上升沿信號時記錄當前坐標值，并跳轉當前NC程序段。

在華中數控系統HNC-818B/M中，系統沒有提供專用于測頭信號的軟硬件接口，原基于西門子840D數控系統的對刀測量方案無法應用于華中數控系統HNC-818B/M中。為基于華中數控系統HNC-818B/M實現對刀測量，中物院機械制造工藝研究所與華中科技大學合作開展了相關技術研究，中物院機械制造工藝研究所設計對刀測量技術方案，華中科技大學提供數控系統底層功能的開發與支持，完成了基于華中數控系統HNC-818B/M的自動對刀測量功能與實驗驗證。

2.2.1 硬件設計方案

在華中數控系統HNC-818B/M中，通過NCUC總線式PLC的I/O單元實現外部信號與數控系統之間的連接與數據交換。目前，華中數控系統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的開關量輸入延遲遠小于第一級PLC程序掃描周期時間(1 ms)。因數控系統響應延遲導致的定位誤差，計算對刀測量速度如下:

因此，將測頭觸發信號編程至第一級PLC程序中，理論上，對刀測量時機床進給速率低于0.06 m/min時，由于軟硬件響應延遲導致的測量誤差將小于1μm。

華中數控系統總線式PLC單元PNP數字輸入模塊檢測“1”信號的驅動電流要求大于40 mA。雷尼紹MCP測頭觸發信號經信號處理模塊XH-2調理后，輸出+24 V信號、驅動電流約20 mA，而繼電器+24 V線圈的驅動電流一般大于36 mA。因此，XH-2輸出信號無法直連驅動華中數控系統I/O模塊的數字輸入點，也無法采用普通繼電器在XH-2輸出信號和華中數控I/O模塊的數字輸入點間中轉實現。在未對信號處理模塊XH-2進行修改、調整其輸出電流的情況下，測頭信號處理硬件模塊中臨時增加了電流繼電器，將XH-2輸出信號中轉至華中數控I/O模塊的數字輸入點，其測量電氣原理圖如圖4所示。

2.2.2 軟件方案

測頭對刀流程如圖5所示，測頭信號經信號處理模塊、電流繼電器和華中數控系統的數字輸入點后，控制器循環掃描檢測觸發信號是否產生。當控制器檢測到觸發信號后，NC根據用戶程序執行中斷和跳轉。通過配置系統參數表，并根據工藝測量需求編制NC子程序，實現工件坐標系建立、位姿測量、緞帶標定等各種測量功能。

測頭對刀功能的實現，主要基于數控系統提供的程序跳轉功能，即華中數控系統HNC-818B/M提供的G31指令［9～10］:在下位PLC程序中，設置測頭觸發信號(X3.7)的上升沿激活程序跳轉功能(ESC BLK)，如圖6所示;下位PLC軟件程序循環掃描，X3.7上升沿使數控系統當前運行的NC程序G31.1指令生效，跳轉至相應的程序段，通過NC記錄并存儲當前坐標位置至宏變量中。此外，通過HNC-818B/M提供的PMC軸功能，實現測頭非正常觸發情況下各軸按順序進行安全回退，以保護工件、拋光頭、測頭及機床。

3 實驗與結果

3.1 對刀測量實驗方案

測試實驗平臺選用了沈陽機床股份有限公司基于華中數控HNC-818B/M研制的VMC850E立式加工中心。為便于安裝MCP測頭，對刀測量實驗采用了測頭倒裝式，如圖7所示。MCP測頭倒置安裝固定于虎鉗上(虎鉗固定于機床X-Y工作臺)。

為檢驗設計方案的可行性，重點考核測頭對刀重復定位精度，設計了如下測頭對刀NC程序:測試過程中只移動X軸，其余各軸(包括主軸、Z軸、Y軸)固定不動，以確保多次重復測量點的位置保持固定。由于雷尼紹MCP測頭靈敏度較高，采用了快速粗對刀、慢速精對刀的測量方法，減少測量信號響應遲滯時間引入的測量誤差，以提高其重復定位精度。

G54 G90 G40;動態設置G54全為0，絕對編程方式

G01 X10 F1000;測頭快速移動到X10行程處

G01 X20 F500;測頭較快速移動到X20行程處

G31 L1 X70 F100;沿X正向移動直到測頭第一次觸發(粗對刀測量)

#54020=#1110;存儲粗對刀測量X軸坐標位置

G01 X［#1340-#1030-5］F400;X軸快速回退5 mm

G31 L1 X［#1340-#1030+1］F50;沿X正向移動直到測頭第二次觸發(精對刀測量)

#54010=#1110;存儲精對刀測量X軸坐標位置

M30;程序結束并返回程序頭

3.2 實驗結果

重復多次運行以上對刀測量NC程序，測量并讀取宏變量#54010，記錄結果如下:

如表1所示，各次測量偏差不大于0.001 1 mm。測量數據表明，該方案的測量器件和測量方法，應用于華中數控系統HNC-818B/M，滿足測頭對刀測量功能和性能兩方面的需求。

4 結語

本文基于華中數控系統HNC-818B/M設計的測頭對刀測量方案，在配置HNC-818B/M的國產數控機床VMC850E上得以驗證，重復測量精度優于2μm。結合數控系統底層支持設計對刀測量安全控制策略，實現了對刀測量安全可靠性滿足磁流變拋光工藝的應用需求，并實現高檔工藝裝備核心功能模塊的國產化。

表1 對刀測量結果 mm

［1］陳華，陳東生，何建國，等.基于西門子840D測頭對刀技術研究［J］.制造技術與機床，2013(11):17-20.

［2］王建平，黃登紅.數控加工中的對刀方法［J］.工具技術，2005，39(2):73-75.

［3］德馬吉公司.對刀儀［J］.現代制造，2008(10):105.

［4］左家圣，左旭坤.數控機床自動對刀儀的設計［J］.中國設備工程，2006(12):19-20.

［5］宋長雙，薛平萍，李多祥.對刀儀在數控機床上的應用［J］.制造技術與機床，2011(05):143-145.

［6］Buttrey.激光對刀系統中雷尼紹創新的微孔技術［J］.WMEM，2004(3):72-74.

［7］史曉龍.工程陶瓷工件磨削過程對刀檢測及進給量精確控制研究［D］.青島:中國海洋大學，2008.

［8］段德山.工件非接觸檢測中機器視覺的研究與應用［D］.北京:北京郵電大學，2007.

［9］武漢華中數控股份有限公司.HNC-8數控系統軟件PLC編程說明書［Z］，2011.

［10］武漢華中數控股份有限公司.華中8型數控系統軟件參數說明書［Z］，2011.