工件測量功能在西門子840D sl五軸數控機床中的應用

王大雙 洪榮晶

（①南京工業大學機械與動力工程學院，江蘇 南京 210009；②西門子工廠自動化工程有限公司，江蘇 南京 210000）

隨著智能制造技術的不斷發展，高端數控機床得到了廣泛應用。五軸加工技術應用為復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，五軸機床使得數控加工在提高生產效率的同時保證了產品加工精度與加工質量，因此五軸數控機床在機械工業中得到廣泛應用，如航空航天、汽車制造領域等。工件位置測量的快慢程度和精確性直接影響五軸數控機床生產效率和加工質量。

自2000年以來，機床工件測量研究陸續取得了一些成果。2010年張亞萍[1]利用FANUC 0i數控系統所提供的坐標旋轉和宏程序功能，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換成距工作臺中心的坐標，實現大型工件在數控鏜銑中心上的自動找正。2020年戰祥鑫等人[3]通過對機床操作系統進行功能開發，利用宏程序和測頭來實現工件的自動找正和在線測量。2021年付敏[4]開發設計了數控車床的計算機操作系統，并利用宏程序和測頭完成了車削過程中的工件自動找正。2022年顧紅光等人[5]針對工件端面傾斜角度測量加工進行研究，基于西門子828D系統實現工件角度自動測量。上述的工件測量方法只能單純在二維空間實現坐標找正，且對于基準孔位的測量誤差較為敏感，測量精度低、缺乏通用性，穩定性不足，大大增加了零件的加工輔助時間[6]。

為了解決現有技術存在的問題，本文給出了數控行業所缺乏的三維位置轉換找正技術方案：首先應用五軸標定循環精確計算用于定義五軸轉換的幾何關系，減少了五軸數控測量過程中出現的誤差，然后基于西門子840D sl五軸機床加工過程中刀具軸矢量的運動變化規律和西門子測量循環，編寫五軸測量程序，進行工件位置測量，在五軸數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，還會根據測量的數據結果對刀偏量自動地修正，不但省時省力，而且還提高了加工效率，具有廣泛的應用價值。

1 五軸功能參數配置

五軸數控機床指的是X、Y、Z這3個直線軸再加兩個旋轉軸構成具有5個聯動進給軸的數控機床。840D sl數控系統是西門子公司推出的新一代純數字高端數控系統，系統支持3大種類五軸結構：雙擺頭型、雙轉臺型和擺頭轉臺型。五軸機床5個進給軸分配規則為：3個直線軸分別對應五軸的第一、二、三幾何軸，第一旋轉軸對應第四軸，第二旋轉軸對應第五軸，第一旋轉軸的運動會改變第二旋轉軸的方向。在五軸數控系統中設置5個進給軸（直線軸和旋轉軸）的幾何關系及尺寸鏈，數控系統激活五軸功能時，數控系統根據配置的五軸機床數據，自動實時將編程指令轉換成各個機床軸運動指令，達到編程指令的軌跡要求。本文以雙擺頭型五軸數控機床為例，介紹西門子840D sl雙擺頭型五軸機床主要功能參數配置方法，其他類型的五軸機床參數配置方法與此類似，目標機床結構簡圖如圖1所示[7]。

圖1 雙擺頭型五軸機床結構簡圖

在840D sl系統中設置5 個進給軸：X、Y、Z這3個直線軸，C為第一旋轉軸，繞Z軸旋轉，A為第二旋轉軸，繞X軸旋轉，SP為機床主軸，以目標設備為例，五軸數控機床軸參數配置如表1所示。

表1 840D sl五軸機床軸參數配置

雙擺頭型目標機床的五軸幾何轉換參數設置如表2所示，參數Part_Offset-MD24500：表示第一旋轉軸回轉中心到機床刀具基準點的位移，Base_Tool-MD24550：表示機床刀具基準點到第二旋轉軸的回旋轉中心的位移，Joint_Offset-MD24560：第一旋轉軸的回轉中心到第二旋轉軸的回轉中心的位移，如圖1中I1、I2、I3的3個矢量所示。3個轉換矢量需要首尾相連構成封閉矢量三角形，即：Part_Offset=–（Base_Tool+Joint_Offset），在設置五軸轉換參數時，由于矢量三角形封閉，因此只要計算出其中任意兩個矢量即可計算出第三個矢量，其他參數機床參數可參照西門子相關資料酌情設置。

表2 840D sl五軸轉換參數配置

2 3D測頭調試與標定

五軸數控機床在線測量過程中，使用3D觸發式測頭進行三維位置測量時，根據被測表面在檢測點之間的接觸以及相關的參數，選擇出最短的檢測路徑。測頭是一個信號開關，通過測針與被測工件表面接觸產生觸發信號，接收器將觸發信號傳輸給數控系統，測頭本身并沒有測量計算功能，需要通過運行測量程序完成測量動作和測量計算，最后輸出測量結果[8]。

2.1 測頭硬件連接與相關參數設置

目標設備的測頭1連接在840D sl的NCU端子X122上，如圖2所示。測頭1的相關參數840D sl數控系統出廠時已經預設好，只要對測頭輸出的高低電平信號參數進行設置MD13200$MA_MEAS_PROBE_LOW_ACTIVE[n] 0 ：高電平有效 1 ：低電平有效。初次調試時，測頭需要做在線信號診斷，方法如下：診斷信號方法1：進入系統PLC變量界面，DB10.dbx107.0輸入PLC地址位，手動觸發測頭1，上述PLC地址位有翻轉信號，說明測頭參數設置正確；診斷信號方法2：測量信號也可以根據測頭觸發時，執行測量余程刪除指令MEAS，通過機床進給是否停止來判斷信號正常與否，在MDA模式下輸入程序段并執行MEAS=1 G91 G01 X1000 Y1000 F100，機床運行過程中，手動觸發測頭1，查看X軸進給是否停止。

圖2 測頭連接圖

2.2 2 測頭標定

高精度3D測頭重復性精度為可達0.25 μm，測量精度可以滿足常規高精度零件的檢測要求。機床本身的定位精度、重復定位精度也會影響測頭的測量精度，測頭使用前，需應用數控系統對測頭進行正確的調整、校準。840D sl數控系統可用系統自帶的工件測頭標定功能對3D測頭進行標定，半徑標定過程如下：測頭與NC系統將自動運行如下動作與運算：主軸定位至180°，測內圓4點，主軸定位至0°，測內圓4點，以上兩次測量結果運算出環規內孔準確的中心位置。長度標定過程如下：設定環規、標定球或量塊等標準件的上表面為工件坐標系Z向原點，激活設定過的工件坐標系，調出測頭檢測標準件表面，標定測頭長度，測頭標定結果輸出如圖3所示。

圖3 測頭標定結果

3 五軸轉換矢量校準

為了獲得相對較高的在線測量精度，五軸機床需要在當前工況下校驗五軸轉換矢量數據設置是否精確。西門子840D sl系統借助于五軸標定循環CYCLE9960可以很方便地糾正用于定義運動學五軸變換的幾何矢量。通過測量標準球的空間位置，數控系統自動計算五軸轉換定義的幾何矢量：測量程序使用CYCLE800 或TRAORI+TOROT 指令將測頭定位到標準球的測量起始點[9]，使用CYCLE9960測量標準球的位置，標定過程中分別測量兩個旋轉軸，每個旋轉軸需要測量3個點，測量盡量均勻分布，3個測量點構成三角形的內角需大于15°，否則計算結果會不準確。根據空間3個點的測量數據，數控系統自動計算出兩個旋轉軸的幾何矢量位置，然后根據計算數據進行五軸矢量校準。

圖4、圖5為實驗所用五軸聯動機床標定球及測頭安裝實物圖，其中測針長為189.583 mm，測針的測球半徑為R2.938 mm，該值由3D測頭標定求得，標定球直徑為25.001 0 mm。五軸標定循環CYCLE9960參數設置如圖6所示。

圖4 標定球和測頭

圖5 測量點選擇方案

圖6 五軸標定循環CYCLE9960

測量結束后，校準結果以系統日志方式顯示，測量變量、激活的轉換、測量的旋轉軸和相關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系。當前和新計算的校正元素偏差顯示在日志的底部，如表3所示，調試人員可根據矢量測量偏差和日志上的提示，選擇機床面板上NC start或者Reset按鍵來完成五軸機床回轉軸心、軸線等運動系統的矢量檢測與自動補償的工作。

表3 五軸轉換矢量測量結果

4 工件測量實驗

五軸機床通過調用五軸轉換NC功能代碼將激活的工件零點（如G54）轉換到旋轉平面上，并計入機床的一系列幾何偏移，從而將當前的工件坐標系定位到編程平面上。

4.1 五軸機床坐標系轉換

CYCLE800 或TRAORI+TOROT是一種可用于五軸坐標系轉換的NC代碼，適用于目前已知的所有840D sl五軸數控機床結構。通過對系統“框架”的靜態轉換，能夠實現機床把工件坐標系通過“平移–旋轉–再平移”的方式轉移到當前所需要加工的傾斜面上，實現空間工件坐標系的旋轉[10?11]。五軸機床轉動回轉頭或者回轉臺，可以快速將刀具軸線自動擺動到與空間內任意傾斜平面相垂直的狀態，并且可以自動轉換刀具長度和半徑補償的方向，轉換前與轉換后的坐標系變化如圖7所示。

圖7 五軸機床坐標系轉換關系

4.2 工件測量過程

如圖8所示,對該圖左側內徑為300 mm圓孔端面三維中心坐標進行測量：首先，測頭從當前位置定位到待測量孔中心附近；其次，機床通過五軸轉換NC指令旋轉回轉頭，快速將刀具軸線自動擺動到與待測量平面相垂直的狀態如圖9所示；再次，調用西門子相應的測量循環進行自動測量；最后，調用數控系統相關變量實現測量結果的輸出，測量結果如圖10所示。

圖8 擺頭初始位置

圖9 擺頭測量位置

圖10 圓孔中心點坐標測量值

4.3 五軸機床工件測量程序實例

根據加工工件結構特點，實驗采用沈陽機床GMC70400型雙擺頭AC結構五軸聯動數控機床，西門子840D sl數控系統。試驗工件為內孔直徑為300 mm的圓環柱體(見圖9)，公差為±0.01 mm，測量程序如下：

5 結語

運用西門子840D sl系統的五軸標定循環完成實驗機床回轉軸心、軸線等運動系統矢量校準，減少了機床在線測量誤差。基于840D sl五軸加工過程中刀軸矢量的運動變化規律，利用系統測量循環、坐標變換代碼、宏程序進行測量和運算，實現了五軸加工過程中工件坐標的自動測量。在五軸加工過程中引進工件坐標自動測量功能可以很大程度上減少加工過程中的測量誤差，不但省時省力，而且還提高了加工精度和效率，具有廣泛的應用價值。