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  • 金屬加工技術

    工件角度自動測量方法

    轉載 :  zaoche168.com   2022年09月29日

            介紹基于西門子828D系統的工件角度自動測量方法,通過位移傳感器對工件表面進行采點,應用西門子S7 1200 PLC與828D系統進行總線通信,將傳感器測量的數據經過S7 1200 PLC傳輸到西門子828D的DB數據塊中,然后通過計算得出工件表面角度,確定加工起始點或判定工件是否超差。

    1 序言
            隨著制造業的發展,數控機床的發展也是日新月異,高速化、高精化、智能化、復合化和自動化成為數控機床的發展趨勢和方向,同時機床加工效率也一直是用戶的主要關注點[1]。在汽車車橋件加工中有一特點,車橋兩端面有一定的傾角,在進行車橋端面加工時要先確定傾角的大小,判定是否超差,若未超差則確定端面的基準點進行加工。傳統方法為在刀庫中放入無線測量裝置,當需要進行測量時,通過刀庫換刀將測頭換到主軸上,使坐標軸移動測頭接觸工件端面,然后應用數控系統的高速跳轉測量功能記錄當前坐標值,再多次移動坐標軸進行其他點位的測量,根據多點測量記錄的坐標值計算得出工件端面傾角。此種方法需要多點多次移動坐標軸測量,增加了機床加工節拍,降低了加工效率。本文采用總線式位移傳感器進行一次測量得出多點數據,減少了多次測量移動坐標軸的時間,提高了加工效率。

    2 總線式位移傳感器介紹
            本文案例是基于基恩士GT2系列總線式位移傳感器進行位置測量,總線式位移傳感器由探頭、放大器模塊和通信模塊組成。
            探頭為可伸縮接觸式傳感器,使用超清晰CMOS傳感器進行高速拍攝,通過刻有因位置而異的縫口圖形的“絕對值刻度尺”讀取其移動量,擁有同級超高精度,即使高速移動也不產生追蹤誤差,測量精度可達1μm,探頭前端伸縮量為10mm。放大器模塊用來接收傳感器的信號并進行處理,每個放大器模塊可連接一個探頭。通信模塊是用來與外部設備進行總線通信的模塊,一個通信模塊最多可以連接15個放大器模塊,可支持Profinet、Profibus、CC-Link、DeviceNet和EtherNet/IP等主流通信協議[2]。傳感器組成如圖1所示。


    圖1 傳感器組成

    3 整體應用方案
            本文案例中的機床配備西門子828D數控系統,由于數控系統的開放性較差,不能直接與第三方總線設備進行通信,因此數控系統與總線式位移傳感器之間的通信需要借助西門子的S7 1200 PLC來進行中轉。西門子828D數控系統與S7 1200 PLC之間可進行S7連接,S7 1200 PLC可組態GT2總線式位移傳感器,系統連接如圖2所示。


    圖2 系統連接示意

            車橋端面傾角可通過4個點的位置坐標計算得出,應用4個基恩士測頭進行一次測量即可[3]。首先將4個探頭固定在支架上,然后做好測頭防護裝置,整體安裝在主軸側上方,保證加工時不與工件干涉。如果工件端面徑向尺寸較大,則可以加一個驅動裝置控制測頭的伸出和退回,測量時測頭伸出,工件加工時測頭退回到安全位置,以避免干涉。驅動裝置最好選用伺服驅動,運行會更平穩,精度穩定性高。4點測頭的安裝、結構和測量如圖3~圖5所示。


    圖3 4點測頭整體安裝示意

    圖4 4點測頭結構

    圖5 4點測頭測量示意

    圖6 傾斜角度計算

            由圖4和圖5可看出,4點測頭在后端支架的前端設有前端支架,后端支架與機床主軸箱連接;前端支架上設有4個傳動桿后座,與傳動桿同軸連接,傳動桿后座內具有彈簧復位裝置;在前端支架與后端支架間設有內部支架,內部支架上設有與傳動桿位置對應的壓縮式檢測頭,傳動桿的末端依次穿過傳動桿后座和前端支架,并與壓縮式檢測頭連接。4個檢測頭呈矩形分布,通過壓縮量的不同,可以計算接觸面的傾斜角度,因此也可根據實際需要,用于檢驗前序焊接角度是否合格,或者自動上下料時判斷有無工件等。
            傾斜角度計算如圖6所示,其中a1為測量點1與測量點3的壓量差值,b1為測量點1與測量點2的壓量差值,h1為測量點1與測量點3的縱坐標差值,h2為測量點1與測量點2的橫坐標差值。則前束角α1=arctan(a1/h1),外傾角β1=arctan(b1/h2)。在實際應用中,當需要加工某種車橋零件時,首先需要找一個標準件,探頭移動到工件端面,保證與工件端面接觸時探頭在壓縮行程中間位置(5mm左右),系統記錄4個傳感器位置,計算出端面傾斜角度。之后每次測量時以此傾斜角為基準進行判斷,設定超差值,當超出設定值時,判定工件超差,停止加工;當測量數值在公差范圍內時,系統按測量數值與標準件數值的差值進行基準加工。

    4 程序控制
    (1)S7 1200 P L C與傳感器間的通信及數據讀取 本文中應用西門子S7 1200 PLC的1211C系列,PLC與傳感器間采用PROFINET總線通信,應用博圖軟件進行傳感器的組態,S7 1200 PLC的設置及程序控制如圖7所示。


    圖7 S7 1200 PLC的設置及程序控制

    (2)S7 1200 PLC與828D系統間的通信及數據傳輸 S7 1200 PLC與西門子828D系統之間采用的是S7協議連接,S7以太網通信協議主要是將PLC連接到PC站??赏ㄟ^GET、PUT等指令進行數據的傳輸,在GET、PUT指令中設置兩個通信設備的以太網地址。此例中10.32.46.117為S7 1200 PLC的地址,10.32.46.120為西門子828D系統的地址,具體的S7連接設置如圖8所示。


    圖8 S7 1200 PLC與828D系統間的S7連接設置

            S7 1200 PLC發送數據給828D系統如圖9所示,“PUT_DB”中“M120”“M124”“M128”“M132”為S7 1200 PLC對接收的傳感器數據進行處理后的存儲地址。通過PUT指令傳送給828D系統,828D系統對應的地址為“DB9061.D BX0”“D B9061.DBX4”“DB9061.DBX8”“DB9061.DBX12”。S7 1200 PLC接收828D系統數據如圖10所示,為G E T指令。S7 1200 PLC接收828D系統的測量指令地址為“DB9062.DBX0”,對應P L C地址為“Q96”。S7 1200 PLC只負責傳感器測量數據的采集、處理和傳輸,基于標準件的數據超差等分析由828D系統處理,828D系統對數據的處理這里不再做說明。


    圖9 S7 1200 PLC發送數據給828D系統

    圖10 S7 1200 PLC接收828D系統數據

    5 結束語
            本文針對工件端面傾斜角度測量加工進行研究,用4點測頭代替單點測頭,一次測量得出4點數據,大大節省了測量時間,提高了加工效率。另外,相比于價格昂貴的測頭,本文采用基恩士總線位移傳感器進行工件測量,在滿足精度的同時也節省了成本。此方案已在本公司設備上多次使用,技術成熟,得到了客戶的認可,提高了產品的市場競爭力。

    參考文獻:
    [1]耿欣,顧紅光. 機床自動加工中刀具更換的研究[J].制造技術與機床,2020(10):94-96.
    [2]黎賢,肖鑫,彭國繼. 發動機氣門導管座圈自動上料檢測設計[J]. 時代汽車,2021(7):129-130.
    [3]吳春宇,謝春軼,劉洪強,等. 一種車橋加工面角度的檢測方法及其配套的檢測頭:202110392623.8[P].2021-04-13.

            本文發表于《金屬加工(冷加工)》2022年第9期第81~83頁,作者:沈陽機床(集團)有限責任公司 顧紅光,謝春軼,原標題:《工件角度自動測量方法》。

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