顾红光，谢春轶

沈阳机床（集团）有限责任公司 辽宁沈阳 110142

1 序言

随着制造业的发展，数控机床的发展也是日新月异，高速化、高精化、智能化、复合化和自动化成为数控机床的发展趋势和方向，同时机床加工效率也一直是用户的主要关注点[1]。在汽车车桥件加工中有一特点，车桥两端面有一定的倾角，在进行车桥端面加工时要先确定倾角的大小，判定是否超差，若未超差则确定端面的基准点进行加工。传统方法为在刀库中放入无线测量装置，当需要进行测量时，通过刀库换刀将测头换到主轴上，使坐标轴移动测头接触工件端面，然后应用数控系统的高速跳转测量功能记录当前坐标值，再多次移动坐标轴进行其他点位的测量，根据多点测量记录的坐标值计算得出工件端面倾角。此种方法需要多点多次移动坐标轴测量，增加了机床加工节拍，降低了加工效率。本文采用总线式位移传感器进行一次测量得出多点数据，减少了多次测量移动坐标轴的时间，提高了加工效率。

2 总线式位移传感器介绍

本文案例是基于基恩士GT2系列总线式位移传感器进行位置测量，总线式位移传感器由探头、放大器模块和通信模块组成。

探头为可伸缩接触式传感器，使用超清晰CMOS传感器进行高速拍摄，通过刻有因位置而异的缝口图形的“绝对值刻度尺”读取其移动量，拥有同级超高精度，即使高速移动也不产生追踪误差，测量精度可达1μm，探头前端伸缩量为10mm。放大器模块用来接收传感器的信号并进行处理，每个放大器模块可连接一个探头。通信模块是用来与外部设备进行总线通信的模块，一个通信模块最多可以连接15个放大器模块，可支持Profinet、Profibus、CC-Link、DeviceNet和EtherNet/IP等主流通信协议[2]。传感器组成如图1所示。

图1 传感器组成

3 整体应用方案

本文案例中的机床配备西门子828D数控系统，由于数控系统的开放性较差，不能直接与第三方总线设备进行通信，因此数控系统与总线式位移传感器之间的通信需要借助西门子的S7 1200 PLC来进行中转。西门子828D数控系统与S7 1200 PLC之间可进行S7连接，S7 1200 PLC可组态GT2总线式位移传感器，系统连接如图2所示。

图2 系统连接示意

车桥端面倾角可通过4个点的位置坐标计算得出，应用4个基恩士测头进行一次测量即可[3]。首先将4个探头固定在支架上，然后做好测头防护装置，整体安装在主轴侧上方，保证加工时不与工件干涉。如果工件端面径向尺寸较大，则可以加一个驱动装置控制测头的伸出和退回，测量时测头伸出，工件加工时测头退回到安全位置，以避免干涉。驱动装置最好选用伺服驱动，运行会更平稳，精度稳定性高。4点测头的安装、结构和测量如图3～图5所示。

图3 4点测头整体安装示意

图4 4点测头结构

图5 4点测头测量示意

由图4和图5可看出，4点测头在后端支架的前端设有前端支架，后端支架与机床主轴箱连接；前端支架上设有4个传动杆后座，与传动杆同轴连接，传动杆后座内具有弹簧复位装置；在前端支架与后端支架间设有内部支架，内部支架上设有与传动杆位置对应的压缩式检测头，传动杆的末端依次穿过传动杆后座和前端支架，并与压缩式检测头连接。4个检测头呈矩形分布，通过压缩量的不同，可以计算接触面的倾斜角度，因此也可根据实际需要，用于检验前序焊接角度是否合格，或者自动上下料时判断有无工件等。

倾斜角度计算如图6所示，其中a1为测量点1与测量点3的压量差值，b1为测量点1与测量点2的压量差值，h1为测量点1与测量点3的纵坐标差值，h2为测量点1与测量点2的横坐标差值。则前束角α1＝arctan（a1/h1），外倾角β1＝arctan（b1/h2）。

图6 倾斜角度计算

在实际应用中，当需要加工某种车桥零件时，首先需要找一个标准件，探头移动到工件端面，保证与工件端面接触时探头在压缩行程中间位置（5mm左右），系统记录4个传感器位置，计算出端面倾斜角度。之后每次测量时以此倾斜角为基准进行判断，设定超差值，当超出设定值时，判定工件超差，停止加工；当测量数值在公差范围内时，系统按测量数值与标准件数值的差值进行基准加工。

4 程序控制

（1）S7 1200 PLC与传感器间的通信及数据 读取 本文中应用西门子S7 1200 PLC的1211C系列，PLC与传感器间采用PROFINET总线通信，应用博图软件进行传感器的组态，S7 1200 PLC的设置及程序控制如图7所示。

图7 S7 1200 PLC的设置及程序控制

（2）S7 1200 PLC与828D系统间的通信及数据传输 S7 1200 PLC与西门子828D系统之间采用的是S7协议连接，S7以太网通信协议主要是将PLC连接到PC站。可通过GET、PUT等指令进行数据的传输，在GET、PUT指令中设置两个通信设备的以太网地址。此例中10.32.46.117为S7 1200 PLC的地址，10.32.46.120为西门子828D系统的地址，具体的S7连接设置如图8所示。

图8 S7 1200 PLC与828D系统间的S7连接设置

S7 1200 PLC发送数据给828D系统如图9所示，“PUT_DB”中“M120”“M124”“M128”“M132”为S7 1200 PLC对接收的传感器数据进行处理后的存储地址。通过PUT指令传送给828D系统，828D系统对应的地址为“DB9061.DBX0”“DB9061.DBX4”“DB9061.DBX8”“DB9061.DBX12”。

S7 1200 PLC接收828D系统数据如图10所示，为GET指令。S7 1200 PLC接收828D系统的测量指令地址为“DB9062.DBX0”，对应P L C地址为“Q96”。S7 1200 PLC只负责传感器测量数据的采集、处理和传输，基于标准件的数据超差等分析由828D系统处理，828D系统对数据的处理这里不再做说明。

图10 S7 1200 PLC接收828D系统数据

5 结束语

本文针对工件端面倾斜角度测量加工进行研究，用4点测头代替单点测头，一次测量得出4点数据，大大节省了测量时间，提高了加工效率。另外，相比于价格昂贵的测头，本文采用基恩士总线位移传感器进行工件测量，在满足精度的同时也节省了成本。此方案已在本公司设备上多次使用，技术成熟，得到了客户的认可，提高了产品的市场竞争力。