OMI 軟件在基于Siemens840D powerline 雙主軸系統(tǒng)加工中心及大型車削生產(chǎn)線的應(yīng)用

崔永，楊自科

（海克斯康測量技術(shù)（青島）有限公司，青島 266000）

1 引言

某高鐵輪對生產(chǎn)商，啟動了包含在機(jī)測量等一攬子幾何量測量需求的計(jì)劃方案。其中包含其主力加工設(shè)備基于Siemens840D powerline 系 統(tǒng) 的DANOBAT 雙 頭 銑 床、DMG 公司的五軸車銑復(fù)合加工中心，以及部署在自動產(chǎn)線上同樣基于Siemens840D pl 的雙主軸立式車床等機(jī)床類型?？蛻粜枨笫置鞔_，除了常規(guī)的三坐標(biāo)、輪對檢測專機(jī)外，客戶還提出要在輪軸新品生產(chǎn)線的所有主力機(jī)床上安裝在機(jī)測量軟件，并將其接入已有的Q-das 數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。雙頭銑床結(jié)構(gòu)和軸類零件如圖1、2 所示。

經(jīng)過一輪驗(yàn)證，Wilcox 公司技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)確認(rèn)按照常規(guī)方式，PC-DMIS NC 無法正常支持Siemens840D pl 雙主軸鏜銑床（雙系統(tǒng)、單RJ45）及 Siemens840D 自動線立式車床應(yīng)用。在無類似案例可以參考的情況下，如何實(shí)現(xiàn)軟件接入，并與西門子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兼容成為擺在面前的主要問題。在本需求計(jì)劃中，在機(jī)測量包為必選方案，所以要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需求，必須先完成軟件接入和系統(tǒng)兼容工作；在本案例中，客戶同意先提供機(jī)床，并運(yùn)行現(xiàn)場調(diào)研測試，經(jīng)過近兩周的全面研究、開發(fā)和測試后，我司制定了滿足客戶需求的實(shí)施方案，經(jīng)現(xiàn)場測試達(dá)到了客戶預(yù)期的技術(shù)目標(biāo)。

圖1 雙頭銑床結(jié)構(gòu)

圖2 軸類零件

2 技術(shù)背景和要求

技術(shù)背景和技術(shù)指標(biāo)要求包括：每個(gè)零件加工前需要確定工件實(shí)際基準(zhǔn)位置，在更新坐標(biāo)系后進(jìn)行加工；在目標(biāo)機(jī)床上對工件指定特征進(jìn)行測量并出具報(bào)告，測量結(jié)果同時(shí)需要傳輸至Q-das 軟件數(shù)據(jù)庫；系統(tǒng)根據(jù)測量結(jié)果，自動更新對應(yīng)加工該特征使用的刀具信息，及其磨損值，以供精加工使用；確保工件ID 在測量報(bào)告中體現(xiàn)，并關(guān)聯(lián)Q-das 軟件中對應(yīng)的存檔；雙頭銑需要使用雙頭分別測量軸的兩端，并在同一坐標(biāo)系下評價(jià)總軸長。機(jī)床設(shè)備清單見表。

表 設(shè)備清單

3 技術(shù)分析

（1）加工前找正是在機(jī)測量的標(biāo)準(zhǔn)配置，可以通過安裝機(jī)床測頭使用宏程序進(jìn)行坐標(biāo)查找和坐標(biāo)系更新（圖3）。

圖3 工件檢測坐標(biāo)系更新

（2）目前客戶需求的第二項(xiàng)，對于普通銑床來說，比較容易實(shí)現(xiàn)，可以通過直接連接PC-DMIS NC 軟件達(dá)到要求，但雙頭銑床和車床并非標(biāo)準(zhǔn)支持設(shè)備，需要對其進(jìn)行二次開發(fā)或者修改；測量結(jié)果傳輸?shù)絈-das 數(shù)據(jù)庫，可以通過HEXAGON 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件PCD-Qdas converter 將結(jié)果導(dǎo)入到Q-das 軟件中。在PC-DMIS-Q-das Converter 中將NC 格式轉(zhuǎn)換為Qdas 格式轉(zhuǎn)換軟件如圖4 所示。

圖4 NC 到Qdas 的格式轉(zhuǎn)換

（3）系統(tǒng)根據(jù)測量結(jié)果自動更新對應(yīng)的刀補(bǔ)磨損值，可以使用PC-DMIS NC update tool offset 功能來實(shí)現(xiàn)。刀具偏置更新設(shè)置如圖5 所示。

圖5 刀具偏置更新

由于NC 軟件并非西門子車床的標(biāo)準(zhǔn)支持軟件，在分析客戶技術(shù)要求和實(shí)際軟件功能實(shí)現(xiàn)能力后，可以確定雙頭銑的雙頭如何區(qū)分使用，以及PC-DMIS NC 如何在SIRMU自動線車床上實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)和測量，是首先要考慮的兩個(gè)問題。雙頭銑床其中一側(cè)的主軸（對側(cè)主軸與其對稱分布）如圖6所示。

圖6 雙頭銑床其中一側(cè)的主軸圖片（對側(cè)主軸與與其對稱分布）

4 主要問題分解及其解決方案

4.1 Siemens840D雙頭銑床

（1）通過單個(gè)網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)雙頭銑雙頭測量且可分別輸出雙頭測量結(jié)果。

圖7 雙頭銑機(jī)床雙通道Siemens 控制系統(tǒng)面板

目前PC-DMIS NC 軟件支持西門子單機(jī)測量，但單機(jī)雙主軸不是標(biāo)準(zhǔn)支持模式。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)為西門子雙通道系統(tǒng)，兩個(gè)主軸分別由一個(gè)獨(dú)立的通道控制執(zhí)行，但雙通道均基于同一windows 系統(tǒng)，因此本系統(tǒng)中需要以單網(wǎng)口兼容雙通道。雙頭銑機(jī)床雙通道Siemens 控制系統(tǒng)面板如圖7 所示。

單網(wǎng)口兼容雙通道是雙頭銑使用NC 軟件達(dá)到用戶測量要求的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過查看機(jī)床PLC 變量，可以了解到機(jī)床系統(tǒng)中，分別對應(yīng)雙測頭的輸入點(diǎn)為DB10.DBX107.0 和DB10.DBX107.1。由此可知，雙通道使用的測頭跳轉(zhuǎn)信號是分開的，相應(yīng)的子程序文件夾也是分開的。

由于雙通道測頭跳轉(zhuǎn)信號相互獨(dú)立，所以可以選擇為系統(tǒng)添加一塊USB 轉(zhuǎn)RJ45 網(wǎng)卡，將機(jī)床原有網(wǎng)卡和新網(wǎng)卡分別設(shè)置為不同的IP 地址，可以將此臺機(jī)床的兩個(gè)通道分別看作是兩臺獨(dú)立的機(jī)床，進(jìn)行配置和使用。但這樣客戶需要提高采購成本購買更多的接入點(diǎn)，這顯然降低了方案的性價(jià)比。

經(jīng)過對機(jī)床和軟件的分析，我們發(fā)現(xiàn)在實(shí)際操作過程中，可以通過修改子程序組內(nèi)的兩個(gè)子程序PCDMOVE.SPF 和PCDPROBE.SPF 來將兩個(gè)通道的主軸運(yùn)行參數(shù)完全區(qū)分開。在操作過程中，需要修改這兩個(gè)子程序的跳轉(zhuǎn)信號和名稱，并生成兩套獨(dú)立的子程序，將其中一組的PCDMOVE.SPF 和PCDPROBE.SPF 兩個(gè)子程序分別修改為PCDMOVE2 和PCDPROBE2，并同時(shí)將其中對應(yīng)的通道PRB 變量賦值為2 通道，與此同時(shí)可以利用PC-DMIS NC 軟件DMIS 程序，與由其生成的CNC 程序一一對應(yīng)的關(guān)系規(guī)則，完全區(qū)分開測量返回的結(jié)果對應(yīng)的主軸側(cè)。兩個(gè)主軸可以使用同一CNC SERVER 端口，同時(shí)也為后面的軸總長計(jì)算提供了方便。第二主軸的子程序內(nèi)容及PC-DMIS NC Server 軟件的配置對應(yīng)界面如圖8 所示。

圖8 第二主軸子程序內(nèi)容及PC-DMIS NC Server 配置界面

通過以上設(shè)置，需要編寫1 通道主軸測量程序時(shí)，在主程序中使用PCDMOVE 和PCDPROBE 作為移動指令和觸測指令。需要編寫2 通道主軸測量程序時(shí)，則在主程序中自動生成PCDMOVE2 和PCDPROBE2 格式的子程序，且只占用一個(gè)IP 通道。至此，理論上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了雙頭銑機(jī)床的測量需求。

（2）使用雙頭測量結(jié)果自動計(jì)算并輸出軸的總長數(shù)據(jù)。上述雙主軸測量方案已在得到實(shí)現(xiàn)，軸總長如何自動測量并輸出，成為擺在面前的新問題，如果可以應(yīng)用類似于雙臂CMM 的操作方法，在同一位置的標(biāo)準(zhǔn)球上對兩個(gè)主軸分別進(jìn)行校驗(yàn)，并在同一機(jī)床坐標(biāo)系下對工件進(jìn)行測量，則結(jié)果可以直接計(jì)算得出，但當(dāng)前條件并不允許。

按照當(dāng)前方案雙主軸的測量程序不能集中于同一程序中，且在同一程序中，由于無法在同一標(biāo)準(zhǔn)球上校驗(yàn)雙臂，也很難將測量結(jié)果統(tǒng)一于同一坐標(biāo)系，所以計(jì)算結(jié)果也不準(zhǔn)確。

此時(shí)，暫時(shí)將PC-DMIS NC 軟件拋開。在PC-DMIS程序運(yùn)行前，先通過宏程序?qū)⑤S的總長測量出來，然后使用宏程序?qū)懭胱兞浚偈褂肞C-DMIS NC 軟件的讀變量功能讀取該變量，寫入最終的測量報(bào)告中。

通過現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)以上思路是可行的。在具體操作過程中，首先使用一根“標(biāo)準(zhǔn)長度軸”對雙主軸的兩個(gè)測頭進(jìn)行總長測量校準(zhǔn)，即通過使用兩個(gè)測頭的刀補(bǔ)2（D2）進(jìn)行校準(zhǔn)。兩個(gè)測頭在同一坐標(biāo)系下測量出坐標(biāo)后，將其結(jié)果相減，并與“標(biāo)準(zhǔn)軸長度”進(jìn)行比較。再將差值補(bǔ)入其中一個(gè)測頭刀補(bǔ)的D2 中（另一個(gè)測頭刀補(bǔ)值不變），這樣再次使用兩個(gè)測頭在同一坐標(biāo)系測量“標(biāo)準(zhǔn)軸”總長，并驗(yàn)證結(jié)果是否與“標(biāo)準(zhǔn)軸”總長吻合。如果吻合，則說明宏程序校準(zhǔn)完畢，可以用來測量后續(xù)新吊裝加工的軸。通過此方式測量出的軸總長，可以使用宏程序自動寫入PC-DMIS NC 軟件在西門子系統(tǒng)中自建的變量PCD_VAR[1]中，在后續(xù)的PC-DMIS NC 程序中添加如圖9 所示的讀變量指令。

圖9 軟件讀系統(tǒng)變量指令

讀取的指定系統(tǒng)變量值（軸總長）將會自動賦值給變量V1，在下面的構(gòu)造和評價(jià)中V1 定義為軸長實(shí)測值。軟件定義變量及構(gòu)造一般特征及評價(jià)界面如圖10 所示。

圖10 軟件定義變量及構(gòu)造一般特征及評價(jià)界面

這樣在程序運(yùn)行后最終PC-DMIS NC 生成的報(bào)告中將會顯示通過宏程序測出的軸總長的測量結(jié)果（圖11）。至此，雙頭銑床的技術(shù)障礙全部掃清，可進(jìn)入調(diào)試實(shí)施階段。

圖11 含有軸總長的測量結(jié)果報(bào)告

4.2 SIRMU自動車削線在機(jī)測量的實(shí)現(xiàn)問題

圖12 SIRMU 車削中心及自動上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)

雙頭銑床和五軸車銑復(fù)合加工中心這兩類機(jī)床，共有的另一個(gè)重要問題就是如何將每件工件的條形碼通過掃碼槍錄入系統(tǒng)后，再寫入PC-DMIS 測量報(bào)告。

4.2.1 測頭配置和校驗(yàn)問題

（1）測針配置。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)車輪側(cè)面輪廓和踏面的測量，單項(xiàng)測針顯然無法滿足要求，因此，需要配置兩方向的星型測針，如圖13 所示。

圖13 星型測針配置

（2）測頭校驗(yàn)。常規(guī)NC 軟件的測頭校驗(yàn)，均是在標(biāo)準(zhǔn)球上進(jìn)行觸測補(bǔ)償?shù)?，但?biāo)準(zhǔn)球中心擺放時(shí)很難與虛擬Y軸重合，這會導(dǎo)致紅寶石測球很難以其赤道面與標(biāo)準(zhǔn)球的赤道面接觸，導(dǎo)致最終得到的補(bǔ)償數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。針對此問題，我們特設(shè)計(jì)了一個(gè)柱形校驗(yàn)工具（圖14），使用此工具可減少調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球心位置所消耗的時(shí)間且簡單可行。校驗(yàn)兩個(gè)方向測頭的實(shí)際校驗(yàn)路徑如圖15 所示。

圖14 實(shí)際測頭配置和特殊定制工具

校驗(yàn)兩個(gè)方向測頭的實(shí)際校驗(yàn)路徑如圖15 所示。

圖15 校驗(yàn)路徑

由于SIEMENS840Dsl 系統(tǒng)的車床對NC 軟件不提供默認(rèn)支持，在校驗(yàn)過程中需要對測頭路徑進(jìn)行修改，特別是移動點(diǎn)需要特別注意添加位置。修改前后的測頭校驗(yàn)路徑如圖16 所示。

圖16 移動點(diǎn)修改前后路徑對比圖

由圖16 可以明顯看出路徑修改前，測量第二個(gè)半圓前的路徑與標(biāo)準(zhǔn)球體有碰撞干涉交叉點(diǎn)。如果不修改路徑，則測頭和標(biāo)準(zhǔn)球必然會在校驗(yàn)過程中發(fā)生碰撞，令校驗(yàn)過程未完成便提前中止。目前測頭定義和校驗(yàn)問題已解決。

4.2.2 Siemens840D系統(tǒng)中的NC子程序的修改和編寫

傳輸至機(jī)床內(nèi)用于NC 軟件使用的Siemens 子程序，在應(yīng)用過程中也需要由X，Y，Z 坐標(biāo)運(yùn)動，更改為適應(yīng)車床系統(tǒng)的X，Z 運(yùn)動坐標(biāo)，具體程序如圖17 所示。

圖17 NC 軟件子程序的變化

4.2.3 編入輪號軸號條形碼

將輪號軸號的條形碼編入PC-DMIS 及Q-das 軟件。由于PC-DMIS NC 安裝于客戶服務(wù)器中，無法像單機(jī)版本的CMM一樣使用彈出注釋的方式輸入零件編號。因此，需要在了解軟件基本運(yùn)作模式的前提下，確定條形碼編入的方案。

在自動機(jī)械手抓起工件后即掃描其上條形碼，此時(shí)軟件可以自動將該條形碼生產(chǎn)一個(gè)純文本文件，寫入對應(yīng)機(jī)床的文件夾中（一個(gè)機(jī)床一個(gè)文件夾）。在每個(gè)機(jī)床測量的PC-DMIS 程序中添加讀取文件指令，在每一次運(yùn)行測量程序時(shí)，自動讀取掃碼槍生成的文本文件中的零件編號，然后自動將該文件刪除（保證每次文件夾中條形碼是唯一的），PC-DMIS 程序讀入零件編號后，會自動寫入Qdas可以識別的dfq 文件并在報(bào)告的對應(yīng)位置中顯示。程序如圖18 所示。

圖18 讀取文件指令

通過PC-DMIS 本身的文件讀寫功能，解決了每件零件使用同一程序，但需要出不同編號報(bào)告的問題。經(jīng)現(xiàn)場反復(fù)調(diào)試，最終形成可應(yīng)用于SIRMU 自動車削生產(chǎn)線上的NC 軟件測量方案。由于子程序的測試修改過程復(fù)雜，很多涉及西門子系統(tǒng)參數(shù)的內(nèi)容不屬于此方案重點(diǎn)，在此不作詳述。

5 技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程

5.1 PC-DMIS NC軟件運(yùn)行簡介

該技術(shù)方案主要是基于HEXAGON 的PC-DMIS NC server 軟件來實(shí)現(xiàn)的，因此，需要簡單地介紹一下PC-DMIS NC server 的軟件架構(gòu)和運(yùn)行方式。CNC Server 為數(shù)據(jù)服務(wù)軟件，提供機(jī)床定義、NC 程序傳輸和開啟PC-DMIS功能。PC-DMIS 軟件負(fù)責(zé)測頭定義校驗(yàn)、編寫測量程序、傳輸結(jié)果和生成報(bào)告功能。PC-DMIS NC server軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖19 所示，NC server 軟件界面如圖20 所示，PC-DMIS 編程界面如圖21 所示。

圖19 PC-DMIS NC server 軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖20 NC server 軟件界面

圖21 PC-DMIS 編程界面

CNC Server 定義對應(yīng)機(jī)床后，每個(gè)端口均設(shè)置對應(yīng)機(jī)床的IP 地址，由此，CNC server 軟件可以與局域網(wǎng)內(nèi)的機(jī)床進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，也就是說一個(gè)服務(wù)器端可以管理和控制多臺機(jī)床的測量程序運(yùn)行，對于每臺機(jī)床，則使用PCDMIS 軟件進(jìn)行編寫測量程序，程序編寫完畢即可加入機(jī)床對應(yīng)的坐標(biāo)系。使用創(chuàng)建CNC 程序功能，通過后置處理來生成對應(yīng)機(jī)床的CNC 程序，將該程序傳輸至機(jī)床。然后，在機(jī)床內(nèi)運(yùn)行該CNC 程序，測量結(jié)果會寫入指定的文件中。程序運(yùn)行完畢后，CNC server 即獲取測量完畢信號，將測量結(jié)果文件放置到PC-DMIS 內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償分析，最終生成測量報(bào)告。

以上就是PC-DMIS NC Server 軟件運(yùn)行的完整過程，在分析了應(yīng)用問題，并了解了軟件運(yùn)行機(jī)制后，下文將詳細(xì)討論如何使用該系統(tǒng)來完成用戶的測量要求的過程。

5.2雙頭銑床的在機(jī)測量功能實(shí)現(xiàn)方案

（1）硬件配置：IRP25.50 紅外線測頭；IRR91.50 紅外線接收器；測針；標(biāo)準(zhǔn)球。

（2）軟件配置：PC-DMIS NC server；PC-DMIS-Qdas Converter。

（3）工件找正分中：使用Siemens 宏程序編寫測量軸基準(zhǔn)的測量程序，該程序可以在加工每一工件前，從加工程序中自動調(diào)用，并測量預(yù)設(shè)軸上的初定位基準(zhǔn)。然后該程序可以根據(jù)測量結(jié)果，自動更新加工軸在該側(cè)對應(yīng)的加工坐標(biāo)系，這樣加工程序會調(diào)用最新的工件位置加工，從而使加工更精準(zhǔn)。

同時(shí)，使用宏程序?qū)y量軸總長的代碼也編寫到了該程序中。加工程序調(diào)用該程序后，會自動更新目標(biāo)加工坐標(biāo)系，并測量軸的總長，寫入指定變量內(nèi)，以便后面PCDMIS 程序讀取，并寫入最終測量報(bào)告。

（4）編寫PC-DMIS 測量程序并運(yùn)行測量程序：校驗(yàn)測頭；使用PC-DMIS 軟件編寫測量軸端部特征的程序、測量圓、測量點(diǎn)、構(gòu)造圓和評價(jià)；加入調(diào)用PC-DMIS-Q-das Converter 軟件的外部命令，如圖22 所示。

圖22 插入PC-DMIS Q-das Converter 外部命令

插入該指令后，在PC-DMIS 軟件分析結(jié)果時(shí)，會自動打開PC-DMIS Q-das Converter 軟件并對測量結(jié)果進(jìn)行搜索，集中存入dfq 文件。Q-das 軟件監(jiān)控到此文件存在時(shí)，會立即抓取，并將PC-DMIS 的結(jié)果文件自動寫入Q-das 數(shù)據(jù)庫中。

（1）插入更改刀補(bǔ)指令：

CNC/UPDATETOOLOFFSET,PNT1.Z,CIRL.D,update.wrk,01234,l

該指令將1 號刀的刀長與特征PNT1 的Z 坐標(biāo)關(guān)聯(lián)在一起。如果PNT1 的Z 坐標(biāo)偏差為0.02，則當(dāng)程序執(zhí)行完畢后，1 號刀的磨損值將會自動減少0.02，在加工下一件工件時(shí)將會自動補(bǔ)償加工誤差，大幅減少由于刀具參數(shù)初始設(shè)置而導(dǎo)致的偏差量。

（2）加入工件坐標(biāo)系：

CNC/USEWORKOFFSET,G55,STARTUP,<0,0,0>,<0,0,0>

該指令是建立CMM 坐標(biāo)系的過程，給PC-DMIS 生成的CNC 程序加入工件坐標(biāo)系G55，程序?qū)⒅苯诱{(diào)用機(jī)床G55 坐標(biāo)系對工件進(jìn)行測量。

（3）讀取變量將總軸長寫入PC-DMIS 測量結(jié)果報(bào)告。

（4）輸出測量電子報(bào)告。

（5）軸兩端的特征分別通過兩個(gè)程序測量，分別出具兩份測量報(bào)告，報(bào)告注釋左端和右端。

5.3 SIRMU車削自動生產(chǎn)線的在機(jī)測量功能

SIRMU 車削自動生產(chǎn)線與雙頭銑加工中心均基于Siemens840D powerline 系統(tǒng)，在機(jī)測量功能也基本一致。不同的是星型測針的使用，掃描側(cè)面輪廓度的方法，以及踏面直徑的測量。前兩者對于PC-DMIS 是很常規(guī)的操作，在此不作贅述，下面主要說明測量踏面直徑的方法。

在車床上操作直徑測量的方法與加工中心環(huán)境不同，不能直接在圓面的不同位置上采點(diǎn)，然后直接求圓心和直徑。自動生產(chǎn)線立式車床只有X 軸一個(gè)水平可移動軸。因此，需將紅寶石測球中心調(diào)整到過虛擬Y 軸零點(diǎn)，沿圓的直徑方向測出一點(diǎn)，然后根據(jù)已知圓心進(jìn)行計(jì)算，得出該圓直徑。在PC-DMIS 中進(jìn)行編程如圖23 所示，測量報(bào)告如圖24 所示。

圖23 車床踏面直徑測量編程

圖24 車踏面直徑測量報(bào)告

6 結(jié)語

至此，此項(xiàng)目所有的技術(shù)問題均已解決，一個(gè)完全滿足高鐵輪對檢測的車間現(xiàn)場質(zhì)量控制方案形成。此應(yīng)用中的在機(jī)測量方案，利用機(jī)床測頭和相應(yīng)的在機(jī)測量軟件PCDMIS NC，配合Q-DAS 統(tǒng)計(jì)分析軟件，解決了輪軸等批量零件實(shí)時(shí)加工制造過程中的監(jiān)控及閉環(huán)控制等實(shí)際問題，切實(shí)提高了輪軸零件的加工精度和生產(chǎn)效率，目前該方案已經(jīng)在國內(nèi)類似行業(yè)得到了推廣應(yīng)用，為制造業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級提供了支持。