利用探头自动测量工件角度的方法

1前言

随着制造业的发展，数控机床的发展也日新月异。高速、高精、智能化、复合化、自动化已成为数控机床的发展趋势和方向，机床的加工效率一直是用户关心的主要问题[1]。在汽车车轴零件的加工中，有一个特点是车轴的两端面有一定的倾斜角度。轴端面加工时，需要确定倾斜角度，确定是否超差。如果不是超差，就要确定端面的基准点进行加工。传统的方法是在刀具库中放置一个无线测量装置。需要测量时，通过换刀库中的刀具将测头换到主轴上，使坐标轴移动测头与工件端面接触。然后利用数控系统的高速跳测功能记录当前坐标值，再移动坐标轴几次测量其他点，根据多点测量记录的坐标值计算出工件端面的倾斜角度。这种方法需要多点多次移动坐标轴测量，增加了机床的加工节奏，降低了加工效率。本文采用总线式位移传感器，一次测量获得多点数据，减少了多次测量移动坐标轴的时间，提高了加工效率。

2总线位移传感器介绍

本案例基于位移传感器的位置测量，由探头、放大模块和通信模块组成。

探头是一个可伸缩的接触式传感器，使用超清CMOS传感器进行高速拍摄，其运动由刻有狭缝图案的“绝对值标尺”读取，狭缝图案因位置而异。具有同级别的超高精度，即使高速移动也不会产生跟踪误差，测量精度可达1μm，探头前端伸缩10mm。放大器模块用于接收和处理传感器的信号，每个放大器模块可以连接一个探头。通信模块是用于与外部设备进行总线通信的模块。一个通信模块可连接多达15个放大器模块，并可支持主流通信协议，如Profinet、Profibus、CC-Link、DeviceNet和EtherNet/IP [2]。传感器的组成如图1所示。

3总体应用方案

本例中的机床配备了西门子828D数控系统。由于数控系统开放性差，无法与第三方总线设备直接通信。因此，数控系统与总线位移传感器之间的通信需要通过西门子S7 1200 PLC进行传输。西门子828D数控系统可与S7 1200 PLC进行S7连接，可配置GT2总线位移传感器。系统连接如图2所示。

轴端面的倾斜角度可以通过四个点的位置坐标计算出来，用四个卡恩斯探针测量一次即可[3]。先将四个探头固定在支架上，然后制作探头保护装置，整体安装在主轴上侧，保证加工时不会与工件发生干涉。如果工件端面的径向尺寸较大，可以增加一个驱动装置来控制探头的伸缩。测量时，探头伸出，加工工件时，探头退到安全位置，避免干涉。伺服驱动是最好的驱动装置，它将运行更平稳，并有很高的精度稳定性。4点探头的安装、结构和测量如图3 ~图5所示。

从图4和图5可以看出，四探针在后端支架的前端设有前端支架，与机床主轴箱连接；前端支架上设有四个与传动杆同轴连接的传动杆后座，传动杆后座内设有弹簧复位装置；前支架和后支架之间设有内支架，内支架上设有与传动杆位置对应的压力检测头，传动杆的末端依次穿过传动杆的后座和前支架，并与压力检测头连接。四个检测头呈矩形分布，通过压力的不同可以计算出接触面的倾斜角度，因此也可以用来检查前序的焊接角度是否合格，或者判断自动上下料时是否有工件等。根据实际需要。

倾角计算如图6所示，其中a1为测点1和3之间的压差，b1为测点1和2之间的压差，h1为测点1和3之间的纵坐标差，h2为测点1和2之间的横坐标差。那么前束角α 1 =反正切(a1/h1)，外倾角β 1 =反正切(B1/H2)。在实际应用中，当需要加工某种轴类零件时，首先要找到一个标准件，探头移动到工件端面，保证探头在与工件端面接触时处于压缩行程的中间位置(约5mm)。系统记录四个传感器的位置，并计算端面倾角。每次测量后，以倾斜角度为基准进行判断，设定超差值；当超差值超过设定值时，判断工件超差，停止加工；当测量值在公差范围内时，系统根据测量值与标准零件值之间的差异进行基准加工。

4程序控制

(1)S7 1200 PLC和传感器之间的通信和数据读取。本文采用西门子S7-1200 PLC的1211C系列，利用PROFINET总线实现PLC与传感器之间的通信，利用薄涂软件对传感器进行组态。s71200plc的设置和程序控制如图7所示。

(2)S7 1200 PLC与828D系统之间的通信和数据传输S7 1200 PLC与西门子828D系统采用S7协议连接，S7以太网通信协议主要连接PLC与PC站。可以通过GET、PUT等指令传输数据，其中设置了两个通信设备的以太网地址。在本例中，10.32.46.117是S7 1200 PLC的地址，10.32.46.120是西门子828D系统的地址。具体的S7连接设置如图8所示。

S7-200 PLC向828D系统发送数据，如图9所示。PUT_DB中的M120、M124、M128、M132是S7-1200 PLC对接收到的传感器数据进行处理后的存储地址。通过PUT指令发送到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，这是一条通用电气测试指令。S7 1200 P L C接收828D系统的测量指令地址为“DB9062”。DBX0”，对应的PLC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。基于标准件的数据公差分析由828D系统处理，这里不解释828D系统对数据的处理。

5结束语

本文对工件端面倾角的测量和加工进行了研究。用四点探针代替单点探针，一次测量可以获得四点数据，大大节省了测量时间，提高了加工效率。另外，与昂贵的测头相比，本文采用卡恩斯总线位移传感器测量工件，既满足了精度又节约了成本。该方案已在我公司设备中多次使用，技术成熟，得到了客户的认可，提高了产品的市场竞争力。