孙先海 戚晓楠 陈 然 赵光裕 胡 浩 赵俊杰

（河南航天液压气动技术有限公司，郑州 451000）

1 技术背景

四轴卧式加工中心通过在原三轴加工中心的基础上加装回转工作台，并在回转工作台末端设置三爪卡盘等夹具，实现对零件的装夹和加工[1]。四轴卧式加工中心生产线进行智能化改造之后，实现了自动上、下料，操作员只需在预调台区域完成物料的装、卸和检测，极大地提高了生产效率。在机外装夹时，因为工件的回转方向没有定位基准，所以无法确定工件在机床坐标系第四轴上的坐标值（下文B值同义），也就无法保证工件待加工平面与机床XY平面基准的统一[2]。因此，需测定待加工面的坐标值，从而保证工件的加工精度。目前，行业内解决此问题通常考虑在产线中增加自动测量设备或者在每个机床内增加对刀探头，市面上能够实现精密加工测量的设备非常昂贵，严重增加了智能化改造成本，使一些亟待实现智能化生产的中小企业望而却步。

2 工作方式

2.1 系统工作原理

卧式加工中心第四轴坐标值机外测定与自动补偿系统的关键问题是机外装夹后确定工件待加工面在对应机床第四轴的基准。四轴卧式加工中心实现智能化改造后，机械手将线外装调完毕的工件与卡盘装在机床的回转工作台上，依靠零点定位系统实现精密定位[3]。零件待加工面的第四轴坐标值可以在机床外通过零件待加工面相对于机外上料点位置来确定。为了达到更高的精度，避免每台机床零点快换系统和B轴自身误差的影响，需要多次测量确认机床的B轴补偿差值Δn（n为机床编号），并将Δn输入到可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制程序中。零件在机外预调台测定时，在待加工面打表，通过调节马达转动角度，将待加工面调至相对千分表导轨平行的位置，PLC控制程序计算此时卡盘的转动角度和对n号机床的补偿值。马达转动到上料位置完成上料，PLC与机床完成通信，并传输坐标值。机床内上料完成后，机床执行参数补偿指令，回转工作台运动到位开始加工[4]。

2.2 系统的工作流程

操作台工件装夹完成后要用千分表和DD马达进行坐标值测定，测定完成后在控制台进行入库操作，并将B值与工件绑定。当机床进行上料请求时，控制系统将B值传输给机床，机床开始加工。

3 最终实施方案

3.1 硬件结构设计

硬件结构主要由预调台（如图1所示）和工装夹具（如图2所示）两部分组成。其中：预调台由预调台面、DD马达、零点定位器、导轨式千分表和按钮盒组成，主要完成零件的打表和调整角度任务，并给PLC发出上料指令；DD马达上方安装有零点定位系统的定位器，卡盘的底部安装有零点定位系统的定位拉钉。操作员在预调台上装料后，可通过电机控制按钮调节电机正反转，同时利用千分表调校工件待加工面旋转角度，从而将待加工面调整到与千分表导轨基准重合的位置。

工装夹具部分由零点定位模块、三爪卡盘、胎具和工件组成。零点定位模块与工作台和机床B轴上的定位器结合形成精密定位。三爪卡盘与胎具起到夹紧和保护零件表面的作用。

3.2 控制系统设计

控制系统主要由伺服驱动器、PLC、智能单元控制系统和传感器等硬件组成，通信功能由RJ45接口实现[5]。

3.2.1 网络架构

网络架构分为操作层、控制层和执行层。其中：操作层主要进行B值测定测量、工件入库等动作；控制层主要进行B值计算、存储与传输；执行层主要负责调用宏变量中的B值加工。

3.2.2 控制软件的设计

控制台硬件采用西门子TP1200触摸屏，软件基于西门子WINCC的构架制作。控制软件中，B轴补偿操作系统嵌入到预装台操作系统中。如图3所示，“当前角度值”表示基于零点偏置的角度值，“传递角度值”表示当前工件绑定的角度值。当完成工件补偿角度测量之后，“当前角度值”显示的角度值即为正确的补偿值，然后点击绑定按钮，将补偿值绑定到当前工件。绑定之后点击入库，机器人将当前工件放入到相应库位，并将当前工件的补偿值自动绑定到放入的库位。当机床请求上料时，机器人将工件抓取到上料台后，自动将补偿值传递给机床[6]。

3.2.3 控制程序

控制程序主要包含DD马达控制程序和B值传输程序。其中，DD马达程序主要包含马达动作程序、脉冲采集程序以及角度计算程序。DD马达动作程序通过运动控制轴工艺对象，同时配置轴的单位组态、软硬限位、斜坡参数及回零数据等，通过使用相应的控制指令实现外部按钮控制马达的启停、高低速运转以及回零。脉冲采集程序主要用于将马达发给PLC高速脉冲信号进行采集并计数，通过PLC内部高速计数器实时准确采集脉冲数，计算当前角度值。当电机回到零点后，脉冲数自动清零。通过功能块CTRL_HSC_EXT来计算脉冲数，并实时传输到相应的DB块中；通过CTRL_HSC功能块来实现脉冲数的自动清零。角度计算程序主要是将PLC从马达采集到的脉冲数通过计算转换成角度值。当前角度值θ的计算方式为：

式中：η为电机分辨率，设置为每圈18 000脉冲；n为当前脉冲数。

通过PLC内部的逻辑运算程序能够计算出实时角度值传递给触摸屏，从而显示在人机界面中。B值传输程序的主要功能是工件入库后通过MOVE指令将当前工件的角度值绑定给入库库位对应的DB块，并在机床请求上料时将此DB块中存储的补偿值传递到机床的宏命令中，待工件由机械手送入机床后，通过调用宏命令使机床B轴旋转相应的补偿值[7]。

4 结语

综上所述，四轴卧式加工中心第四轴坐标值机外测定与自动补偿系统主要利用高精密DD马达与PLC控制结合的方式工作，由人工线外完成工件装夹、找正，PLC远程通信给机床，执行智能生产线的B值补偿功能指令。该系统在实际应用中，具有灵活高效的特点，极大扩充了加工中心智能化改造的解决方案。

四轴卧式加工中心第四轴坐标值机外测定与自动补偿系统充分利用现有设备的特性，以较少的成本投入解决了行业内普遍存在的四轴卧式加工中心智能化生产线第四轴坐标值的测定难题。通过适当更改相应的硬件工装和控制算法，四轴卧式加工中心第四轴坐标值机外测定与自动补偿系统所述的原理和工作流程可推广到各种类型的加工中心智能生产线，尤其是四轴卧式加工中心智能生产线的建设中，对具有多项基准和坐标的机外测定自动补偿任务的生产单位有着明显的作用。该系统的应用改变了原有的机内调整基准的方式，节省了大量的机内调整时间，对提高机床有效利用率具有重要意义。