數(shù)控車床正弦曲線加工及自動(dòng)測量的實(shí)現(xiàn)

王立民

（上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201900）

0 引言

寶鋼某廠引進(jìn)CK8480D數(shù)控軋輥車床，系統(tǒng)配置為西門子802D數(shù)控系統(tǒng)，其主要用于精密車削加工軋線上使用的各種橡膠軋輥的正弦曲線外形輪廓并附加正反螺紋。整個(gè)加工生產(chǎn)工藝有兩個(gè)問題需要解決，1）實(shí)現(xiàn)正弦曲線加工，2）加工后的有效測量。加工的工件主要來源有兩種:1）從坯料開始的新加工，2）從產(chǎn)線上卸下來需要修復(fù)的橡膠輥修復(fù)加工。無論那種類型的加工，其工作原理、過程控制和加工程序完全相同，只有加工量等部分工藝參數(shù)需要少量修改即可。正弦橡膠輥以弦高1 mm，輥身長度1.5 m和2 m兩種規(guī)格居多。

由于數(shù)控系統(tǒng)沒有直接可供使用的正余弦曲線插補(bǔ)功能，所以必須自行編制程序計(jì)算函數(shù)，將整個(gè)正弦曲線分解為許多若干個(gè)小插補(bǔ)段組合而成來實(shí)現(xiàn)加工，這一方法與圓弧插補(bǔ)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行軌跡和方法類似。

因輥型復(fù)雜、輥?zhàn)油獗砻嫦鹉z材料較軟，所以工件加工結(jié)束后，如何對(duì)其進(jìn)行有效的測量成為第二個(gè)問題點(diǎn)。如果用百分表進(jìn)行人工測量。一般1.5 m長度的工件，為了測量出其實(shí)際加工曲線，往往需要反復(fù)測量，并且每次都得取足夠的測量點(diǎn)數(shù)以保證測量結(jié)果能有效反映實(shí)際加工曲線。因此，這種工作繁雜而耗時(shí)，且測量精度無法得到保證。

為此，本文在機(jī)床上設(shè)計(jì)了自動(dòng)測量裝置，由數(shù)控和PLC程序完成自動(dòng)測量，測得的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)配置好的RS232數(shù)據(jù)傳輸電纜傳到上位計(jì)算機(jī)中，再由計(jì)算機(jī)用VB語言編制好的測量數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行數(shù)據(jù)列表、曲線描述工件表面加工精度和報(bào)表打印存檔等。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.1 正弦曲線加工函數(shù)功能的實(shí)現(xiàn)

眾所周知，sin α =cos（π/2 – α）

正弦曲線和余弦曲線在振幅等參數(shù)一樣的情況下除相差90°（1/4周期相移位）之外波形軌跡完全相同。對(duì)于輥?zhàn)蛹庸さ那€來說，sin α=cos（π/2–α）軌跡完全相同。所以完全可以用兩個(gè)1/4周期余弦函數(shù)波形疊加成一個(gè)1/2周期的正弦曲線波形。因?yàn)樵诰唧w的這臺(tái)數(shù)控機(jī)床程序編制中這樣編寫程序更為方便。下面便是這個(gè)程序中兩個(gè)1/4周期余弦函數(shù)的計(jì)算程序部分設(shè)計(jì):

程序中首先定義整數(shù)和實(shí)數(shù)變量，然后將工藝參數(shù)變量中所賦值的數(shù)據(jù)傳給這些局部變量。

經(jīng)過輔助移動(dòng)后車削刀具定位在起始加工點(diǎn)工件坐標(biāo)（1+diameter/2，length/2）。根據(jù)實(shí)際情況和現(xiàn)場軋輥?zhàn)冃瘟繑?shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般加工預(yù)留1 mm的余量。當(dāng)z軸從起點(diǎn)開始經(jīng)過軋輥縱向中心點(diǎn)再到終點(diǎn)，x軸加工輪廓為半個(gè)周期（0到180°）的正弦函數(shù)曲線。

此曲線由兩個(gè)1/4周期的余弦波形組合而成。第一段:x從cos90°（函數(shù)值等于0）加工到cos 0（函數(shù)值等于1），第二段:x從 cos 0°（函數(shù)值等于1）加工到 cos 90°（函數(shù)值等于0）。加工起點(diǎn)到終點(diǎn)固定為正弦函數(shù)的1/2周期，與輥長度無關(guān)。

實(shí)際加工中，無論軋輥長度是多少，弦高固定為1 mm，軌跡都是正弦函數(shù)半個(gè)周期:x∈ （0，π），即相當(dāng)于余弦函數(shù)半個(gè)周期:x∈（-π/2，π/2）軌跡。工件縱向中心為最高點(diǎn)，兩邊為最低點(diǎn)。數(shù)控系統(tǒng)此處余弦三角函數(shù)計(jì)算輸入值用度。

程序中第一個(gè)函數(shù)軌跡從cos（π/2）加工到cos 0°，函數(shù)值從0°（最低點(diǎn)）到1（最高點(diǎn)）。

程序中第二個(gè)函數(shù)軌跡從cos 0加工到cos（π/2），函數(shù)值從1（最高點(diǎn)）到0°（最低點(diǎn)）。亦即相當(dāng)于從cos 0°加工到 cos（-π/2）。

機(jī)床坐標(biāo)方向:x正方向:床頭箱至尾座z正方向:工件中心向外方向。

加工起點(diǎn)從尾座開始向床頭箱方向，對(duì)刀起點(diǎn)也從尾座側(cè)工件邊緣開始。

G54的設(shè)定:x方向:取工件軸中心線（即主軸卡盤中心和尾座頂針中心的連接線）為零點(diǎn);

z方向:取工件長度中心點(diǎn)為零點(diǎn)（如1 500 mm的工件長度，在中間750 mm處為工件零點(diǎn)）。

G64功能有助于軌跡連續(xù)運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)計(jì)算指令不會(huì)對(duì)軸的移動(dòng)產(chǎn)生速度影響，既不會(huì)在每個(gè)step連接處出現(xiàn)停頓現(xiàn)象。

1.2 車削工藝參數(shù)的設(shè)定

在實(shí)際加工操作中只需對(duì)軋輥長度、軋輥直徑、正弦曲線弦高、加工預(yù)留量等幾個(gè)加工工藝參數(shù)在數(shù)控參數(shù)窗口進(jìn)行設(shè)定即可。

至于直線段插補(bǔ)長度、主軸轉(zhuǎn)速、各進(jìn)給速度、快速定位距離等參數(shù)，在程序中已經(jīng)設(shè)定好不需要在每次生產(chǎn)加工操作時(shí)設(shè)定。

1.3 自動(dòng)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

完成測量功能的自動(dòng)測量系統(tǒng)選用英國RENISHAW裝置:MI-8信號(hào)處理接口單元經(jīng)傳輸電纜連接外部可執(zhí)行精準(zhǔn)測量任務(wù)的LP2測量探頭來完成實(shí)現(xiàn)。

測量系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)是:將RENISHAW的三維測量探頭安裝在數(shù)控車床的四工位刀臺(tái)的某一個(gè)工位上。在工件正常加工時(shí)刀臺(tái)由程序控制旋轉(zhuǎn)至安裝有車削刀具的工位;在工件加工結(jié)束后需要對(duì)加工精度進(jìn)行測量時(shí)，刀臺(tái)再由程序控制旋轉(zhuǎn)至安裝三維測量探頭的工位。探頭初次定位時(shí)的z軸坐標(biāo)可以如同對(duì)刀操作一樣手動(dòng)定位初始位置，也可以根據(jù)加工程序的z軸起點(diǎn)坐標(biāo)自動(dòng)定位第一點(diǎn)位置。然后系統(tǒng)以此為基點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)測量，z軸測量距離一般設(shè)定為50 mm。x軸由系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)測量，測量結(jié)果輸送并保存到系統(tǒng)變量R參數(shù)中，這些數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)經(jīng)VB程序處理后，變成圖表顯示出來并可以打印和長期存檔。從LP2測量探頭經(jīng)信號(hào)傳輸電纜、信號(hào)接口單元、數(shù)控系統(tǒng)、611U驅(qū)動(dòng)和伺服電動(dòng)機(jī)位控速度響應(yīng)、數(shù)控系統(tǒng)程序計(jì)算和變量傳輸整個(gè)環(huán)節(jié)，自動(dòng)測量系統(tǒng)重復(fù)測量精度能夠達(dá)到2 μ。

因?yàn)樵摍C(jī)床選用611U雙軸控制模塊，將接口單元MI8-4的Probe Status（A11）的測量輸出信號(hào)連接在611U雙軸控制模塊X454的I0.B上，使用SimoComU工具軟件調(diào)試驅(qū)動(dòng)時(shí)將P660=80。接口單元電源DC24 V（15 V-30 V）連接到驅(qū)動(dòng)單元的P24、M24。

測量觸發(fā)信號(hào)取上升沿信號(hào)控制。802D數(shù)控系統(tǒng)MD［13 200］=1

通過PLC編程操作者可以監(jiān)控測量過程:

通過V2 700 0001.0、V390 100 02.3控制HMI報(bào)警文本和測量狀態(tài)指示燈提醒生產(chǎn)操作測量過程。

下面是1.5 m長工件的測量程序:

1.4 測量數(shù)據(jù)的傳輸

每一個(gè)輥?zhàn)铀鶞y量的各點(diǎn)數(shù)據(jù)保存在數(shù)控系統(tǒng)的R參數(shù)區(qū)域。測量程序執(zhí)行后所測量的結(jié)果數(shù)據(jù)必須在下一次測量前將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，否則下次再次測量所得新的測量數(shù)據(jù)也保存在該數(shù)據(jù)區(qū)域，會(huì)將前一次數(shù)據(jù)覆蓋掉。傳到上位計(jì)算機(jī)后便可以用excel文檔格式長期保存。

802D PCU的COM1或COM2接口用于連接上位計(jì)算機(jī)的RS232串行通訊接口。802D側(cè)用系統(tǒng)提供的專門用于數(shù)據(jù)通訊的軟件菜單進(jìn)行操作:system ＞data in/out＞RS232 configuration;data selection ＞ data in或data out。上位機(jī)PC側(cè)在VB數(shù)據(jù)處理程序中設(shè)置一個(gè)命令菜單專門用于與802D進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。兩側(cè)都可以對(duì)波特率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

1.5 上位機(jī)測量數(shù)據(jù)讀取程序

從802D側(cè)傳送過來的R參數(shù)文件為文本文件，其主體格式為:

因此，首先應(yīng)把測量數(shù)據(jù)從上述文本表達(dá)式中提取出來。文件開頭部分為文件傳輸目錄，VB處理程序不需要這部分內(nèi)容，因此用文本比較方法將其過濾掉并找到需要的文本字符部分，如R25=……..，該段程序簡要敘述如下:

程序打開傳輸過來的文本文件后逐行讀取并賦予變量rstring，然后將讀取過來的每一行與R參數(shù)格式進(jìn)行比較，判斷數(shù)據(jù)行中是否有R參數(shù)，因?yàn)樵趥鬏數(shù)腞參數(shù)文本文件中每一個(gè)R參數(shù)及其所攜帶的數(shù)值都是獨(dú)立一行。如果有就用Mid函數(shù)將其分離出并轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)型數(shù)據(jù)。String11用來表示不同的R參數(shù)，隨著I值的變化，其代表不同的x軸坐標(biāo)點(diǎn)。由于數(shù)控系統(tǒng)測量程序定義傳輸過來的R參數(shù)第1點(diǎn)數(shù)據(jù)從R［25］開始，1.5 m長的軋輥一般為31個(gè)測量點(diǎn)，2 m長的軋輥一般為41個(gè)測量點(diǎn)，所以R序列數(shù)都為雙數(shù)，因此Mid函數(shù)的start參數(shù)定義為7。這里沒有設(shè)定Mid函數(shù)的length參數(shù)，所以獲取R參數(shù)中的所有數(shù)據(jù)位，如:R［48］=-198.697 175 8中的-198.697 175 8。Data（）數(shù)組存放這些轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，隨后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析并在excel中以曲線圖的方式表示出來。

2 結(jié)語

通過該系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)，機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)橡膠軋輥正弦曲線的精確加工和自動(dòng)在線測量，并且通過上位機(jī)圖表顯示、打印和存檔測量結(jié)果的數(shù)據(jù)表和加工曲線。通過自動(dòng)測量系統(tǒng)的在線測量，不僅簡化正弦曲線測量過程，而且測量的結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確，解決了手動(dòng)測量所帶來的數(shù)據(jù)誤差等問題，使生產(chǎn)操作簡單易行，方便可靠。存檔文件與工件軋輥編號(hào)一一對(duì)應(yīng)，保存在上位機(jī)中便于管理和查詢。

［1］《西門子802D配置手冊(cè)》Edition 06.99.

［2］《西門子802D操作編程手冊(cè)》Edition 06.99.

［3］《西門子802D診斷手冊(cè)》Edition 06.99.

［4］《西門子802D功能手冊(cè)》Edition 06.99.

［5］《RENISHAW installation ＆ user’s guide》Issued:03.2002.