CN110531699B - 一种机床测头自动测量设定工件平面的方法 - Google Patents

一种机床测头自动测量设定工件平面的方法 Download PDF

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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Abstract

本申请属于数控加工领域，具体而言是一种机床测头自动测量设定工件平面的方法，其括如下步骤：步骤一、数控系统的基础测量程序的选择；步骤二、测量参数的选择和分配；步骤三、测量程序结构设计；步骤四、测量所需的测头运动轨迹的参数设计；步骤五、测量数值的比较判断。本申请根据实际加工中所需的测量操作进行的程序编制优化，该方法通过将测量所需的轨迹编程进行参数化的输入，将复杂繁琐的G代码编程简单化，为普通操作者及编程人员带来便利，提高产品质量及工作效率。

Description

一种机床测头自动测量设定工件平面的方法
技术领域
本申请属于数控加工领域，具体而言是一种机床测头自动测量设定工件平面的方法。
背景技术
机械加工技术普遍遵循“定位-加工”操作模式，依据这一模式，如何按照设计与工艺要求实现被加工工件的精确定位成为保证工件加工合格的一个首要问题。在数控加工中Z0平面的找正及设定是数控加工的必要过程，传统找正方法为操作者采用标准对刀块在机床上对刀找出Z0面基准的位置，然后通过机床计算功能或手动将相关数据输入到数控系统中，以设定工件坐标系，此方法极易出现操作失误，由此带来工件的废品产生。在批量加工中由于操作繁琐操作者常常采用随机抽查的方式进行Z0的检查与设定，由此可能带来未抽样工件的错误装夹未发现的后果，导致工件超差报废的产生。航空制造业零件多以形状复杂、工艺要求较高、材料昂贵为主，由于操作失误带来的零件的超差报废为企业带来巨大损失。因此加工中的Z0平面检查与设定的准确性尤为重要。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述问题，现提出一种基于西门子数控系统，通过编制嵌套西门子数控系统标准测量循环的程序，实现测头自动测量及设定工件Z0平面方法。
为实现上述技术问题，本申请所采用的技术方案如下：
一种机床测头自动测量设定工件平面的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、数控系统的基础测量程序的选择；
步骤二、测量参数的选择和分配；
步骤三、测量程序结构设计；
步骤四、测量所需的测头运动轨迹的参数设计；
步骤五、测量数值的比较判断。
所述步骤一具体为：基于带有标准测量循环CYCLE978的西门子数控系统，使用西门子系统提供带形式参数的子程序功能，编制嵌套CYCLE978测量子程序的自动测量循环程序，将该子程序作为用户循环来使用。
所述步骤二具体为：选择控制测量点运动的参数。
具体选择至少如下10个变量参数:
UNDERSIDE：零件是否为底面对刀（底面为1，表面为0）；
OFFSET_NO：零件加工的原点地址号；
PART_H：零件的总厚度；
TOLERANCE：测量的公差；
AXIS_X1：测量点1的X坐标；
AXIS_Y1：测量点1的Y坐标；
AXIS_X2：测量点2的X坐标；
AXIS_Y2：测量点2的Y坐标；
AXIS_X3：测量点3的X坐标；
AXIS_Y3：测量点3的Y坐标；
上述10个参数中的第一个为布尔值，其余9个参数为实数。
所述步骤三具体为：
定义步骤二中的参数：
包含至少10个参数的子程序，
通过定义的参数UNDERSIDE判断被测量零件是否为底面对刀（底面为1，表面为0）；
将测头移动到测量点位的第一点，位置参数为AXIS_X1,AXIS_Y1；
调用西门子测量循环程序CYCLE978，当工件为表面对刀是设定工件坐标到指定零点偏置/当工件为底面对刀是记录测量坐标数值到R参数（R参数为西门子公共计算参数存储地址）；
将测头移动到测量点位的第二点，位置参数为AXIS_X2,AXIS_Y2；
调用西门子测量循环程序CYCLE978，（记录测量坐标数值到R参数）；
将测头移动到测量点位的第三点，位置参数为AXIS_X3,AXIS_Y3；
调用西门子测量循环程序CYCLE978，（记录测量坐标数值到R参数）；
将测头抬高到安全点；
将记录下的测量数值进行比较判断，若是表面对刀且在测量公差范围内，则取三个测量点的平均值作为零件的Z方向的零点偏置，超出公差则停机待问题处理；若是底平面对刀且在测量公差范围内，那么程序继续运行加工零件，超出公差则停机待问题处理。
所述步骤四具体为：
测头运动到测量所需的3个测量点上的运动轨迹的设计，运动轨迹所需的每一个坐标点数值是带有参数传递的变量。
移动至测量点1后进行测量，存储测量结构后，再移动至测量点2后进行测量，存储测量结构后移动至测量点3，测量后存储测量结果进行计算。
具体运动轨迹顺序为：
1）测头移动到机床最大安全行程。
2）测头移动到工件上表面第一测量点上方300mm处，程序段写法为X=R11 Y=R12 Z=(R30+300)，其中R11为第一测量点的X坐标变量，R12为第一测量点的Y坐标变量，R30为被测量工件的厚度变量，当工件为表面对刀时R30=0，当工件为底面对刀时R30=被测工件的厚度值，Z=(R30+300)的意义在于：当执行被测量零件是否为底面对刀的判断时，测头都能移动到工件上表面的指定位置。
3）以G01的方式将测头移动到距离工件上表面80mm处F值为F3000，程序写法为Z=（R30+80），再以F1000的速度移动到工件上表面10mm处，程序写法为Z=（R30+10）。测量工件第一点。
4）测头快速抬高测头至工件上表面100mm处，程序写法为Z=（R30+100），移动至第二测量点，程序段写法为X=R13 Y=R14，其中R13为第二测量点的X坐标变量，R14为第二测量点的Y坐标变量。以G01的方式将测头移动到距离工件上表面80mm处F值为F3000，程序写法同3），再以F1000的速度移动到工件上表面10mm处，程序写法同3）。测量工件第二点。
5）以所述第4）点同样的方式测量工件第三点，完成后抬高测头至工件上表面100mm处程序写法同3）。
其中测量点的坐标值由测量使用者在使用中具体给出，3个测量点选择规则为工件上表面囊括最大外形特征的三个位置点。
所述步骤五具体为：
所述测量数值的比较判断方法分为两种情况：表面对刀、底面对刀，两种不同情况通过定义的参数UNDERSIDE判断（底面为1，表面为0），程序写法为IF UNDERSIDE==1 GOTOFDIMIANDUIDAO，其意义为当参数UNDERSIDE为0时程序不跳转，继续依次执行后面程序，当参数UNDERSIDE为1时程序向后跳转至标签DIMIANDUIDAO：。
表面对刀（UNDERSIDE为0）
当测量程序运行至IF UNDERSIDE==1 GOTOF DIMIANDUIDAO程序段时，程序跳转至标签为GOON1:的程序段，此时对R30重新赋值为0，意义为将测头准确移动到工件上表面指定位置。当测头移动至指定测量点时执行测量动作，此时系统标准测量循环程序CYCLE978参数“补偿目标”设置为“生效零点偏置”，即第一点的测量数值补偿到生效零点偏置中，作为工件加工原点Z0，此数据用于比较后续两点阶差的基础数据。测量第二点与第三点的标准测量循环程序CYCLE978参数“补偿目标”均设置为“仅测量”，分别将测量结果数据转存至系统R参数中的R22、R23以备后续计算用。
第二点与第三点的测量数据是相对第一测量点的Z方向位置阶差。对第二点和第三点测量数据进行比较判断可以得出工件上表面相对机床坐标系中XY平面的平行度，由此来判断该工件上表面是否符合加工的公差要求，具体比较方法如图3第N42-N58。测量结果若在公差之内，那么最后将测量的第二、三点中最大阶差值取中值补偿到加工零点偏置中，程序继续至程序终点，最大限度保证工件加工基准的均匀性。测量结果若不在公差之内，那么程序将跳转至暂停程序段，停止机床动作并显示是第一点还是第二点超出公差的提示信息(如图3 N59-N63)。
底面对刀（UNDERSIDE为1）
当测量程序运行至程序段IF UNDERSIDE==1 GOTOF DIMIANDUIDAO时，程序将不执行跳转命令，继续按顺序执行后面的程序，此时R30为工件的厚度值，测头将准确移动到工件上表面指定位置。当测头移动至指定测量点时执行测量动作，此时系统标准测量循环程序CYCLE978参数“补偿目标”设置为“仅测量”，第一点的测量数值为工件表面距离工件底平面的距离，将测量结果数据转存至系统R参数中的R21。程序执行跳转指令转到程序段GOON2，测量第二点与第三点的标准测量循环程序CYCLE978参数“补偿目标”均设置为“仅测量”，分别将测量结果数据转存至系统R参数中的R22、R23以备后续计算用。程序继续执行至IF UNDERSIDE=1 GOTOF DIMIANDUIDAO段执行跳转指令（如图3）转到程序段标签DIMIANDUIDAO进行数据逻辑运算，对测量得出的数据进行排序比较，找出测量三点中的最大与最小点，并求出最大与最小点的差值并进行公差比较。若结果在公差之内，则程序继续至程序终点，若结果不在公差之内，那么程序将跳转至暂停程序段，停止机床动作并显示具体超出公差的提示信息(如图3)。
本申请的优点在于：
1、根据实际加工中所需的测量操作进行的程序编制优化，该方法通过将测量所需的轨迹编程进行参数化的输入，将复杂繁琐的G代码编程简单化，为普通操作者及编程人员带来便利，提高产品质量及工作效率。
2、现有西门子测量技术仅提供测量和原点地址存储功能，不具备多点测量计算功能，本申请的步骤二选用的参数中仅OFFSET_NO参数与西门子用法一样，其余参数均为控制测量点运动的参数。
3、步骤三可以实现多点测量并根据测量结果判断平面的高低情况，并且将测量所需的点位信息参数化方便编程，增加西门子数控系统平面测量的方法。
4、步骤三将测量过程中所使用的测量点位参数化，在使用时无需进行G代码编程。西门子系统要实现同一功能需要进行G代码编程，并根据实际情况进行轨迹规划，该方法无统一标准，编程繁琐。新方法较西门子系统编程实现同一功能更简单方便。
5、步骤四将测量过程中所使用的测量点位参数化，在使用时无需进行G代码编程。西门子系统要实现同一功能需要进行G代码编程，并根据实际情况进行轨迹规划，该方法无统一标准，编程繁琐。新方法较西门子系统编程实现同一功能更简单方便。
6、步骤五上实现参数化判断工件测量时具体对刀面在底面还是在上表面，提供Z方向测量运动轨迹的自动计算，改进西门子系统用G代码编制测量程序的繁琐过程。
附图说明
图1是为本测量方法程序中的参数具体设置，及所用R参数清零设置。
图2是为本方法的编程逻辑图。
图3是本方法中，表面对刀状态的数据逻辑运算以及错误信息输出。
具体实施方式
一种机床测头自动测量设定工件平面的方法，包括如下步骤：
步骤一、数控系统的基础测量程序的选择；
步骤二、测量参数的选择和分配；
步骤三、测量程序结构设计；
步骤四、测量所需的测头运动轨迹的参数设计；
步骤五、测量数值的比较判断。
所述步骤一具体为：基于带有标准测量循环CYCLE978的西门子数控系统，使用西门子系统提供带形式参数的子程序功能，编制嵌套CYCLE978测量子程序的自动测量循环程序，将该子程序作为用户循环来使用。
所述步骤二具体为：选择控制测量点运动的参数。
具体选择至少如下10个变量参数:
UNDERSIDE：零件是否为底面对刀（底面为1，表面为0）；
OFFSET_NO：零件加工的原点地址号；
PART_H：零件的总厚度；
TOLERANCE：测量的公差；
AXIS_X1：测量点1的X坐标；
AXIS_Y1：测量点1的Y坐标；
AXIS_X2：测量点2的X坐标；
AXIS_Y2：测量点2的Y坐标；
AXIS_X3：测量点3的X坐标；
AXIS_Y3：测量点3的Y坐标；
上述10个参数中的第一个为布尔值，其余9个参数为实数。
所述步骤三具体为：
定义步骤二中的参数：
包含至少10个参数的子程序，
通过定义的参数UNDERSIDE判断被测量零件是否为底面对刀（底面为1，表面为0）；
将测头移动到测量点位的第一点，位置参数为AXIS_X1,AXIS_Y1；
调用西门子测量循环程序CYCLE978，当工件为表面对刀是设定工件坐标到指定零点偏置/当工件为底面对刀是记录测量坐标数值到R参数（R参数为西门子公共计算参数存储地址）；
将测头移动到测量点位的第二点，位置参数为AXIS_X2,AXIS_Y2；
调用西门子测量循环程序CYCLE978，（记录测量坐标数值到R参数）；
将测头移动到测量点位的第三点，位置参数为AXIS_X3,AXIS_Y3；
调用西门子测量循环程序CYCLE978，（记录测量坐标数值到R参数）；
将测头抬高到安全点；
将记录下的测量数值进行比较判断，若是表面对刀且在测量公差范围内，则取三个测量点的平均值作为零件的Z方向的零点偏置，超出公差则停机待问题处理；若是底平面对刀且在测量公差范围内，那么程序继续运行加工零件，超出公差则停机待问题处理。
所述步骤四具体为：
测头运动到测量所需的3个测量点上的运动轨迹的设计，运动轨迹所需的每一个坐标点数值是带有参数传递的变量。
移动至测量点1后进行测量，存储测量结构后，再移动至测量点2后进行测量，存储测量结构后移动至测量点3，测量后存储测量结果进行计算。
具体运动轨迹顺序为：
1）测头移动到机床最大安全行程。
2）测头移动到工件上表面第一测量点上方300mm处，程序段写法为X=R11 Y=R12 Z=(R30+300)，其中R11为第一测量点的X坐标变量，R12为第一测量点的Y坐标变量，R30为被测量工件的厚度变量，当工件为表面对刀时R30=0，当工件为底面对刀时R30=被测工件的厚度值，Z=(R30+300)的意义在于：当执行被测量零件是否为底面对刀的判断时，测头都能移动到工件上表面的指定位置。
3）以G01的方式将测头移动到距离工件上表面80mm处F值为F3000，程序写法为Z=（R30+80），再以F1000的速度移动到工件上表面10mm处，程序写法为Z=（R30+10）。测量工件第一点。
4）测头快速抬高测头至工件上表面100mm处，程序写法为Z=（R30+100），移动至第二测量点，程序段写法为X=R13 Y=R14，其中R13为第二测量点的X坐标变量，R14为第二测量点的Y坐标变量。以G01的方式将测头移动到距离工件上表面80mm处F值为F3000，程序写法同3），再以F1000的速度移动到工件上表面10mm处，程序写法同3）。测量工件第二点。
5）以所述第4）点同样的方式测量工件第三点，完成后抬高测头至工件上表面100mm处程序写法同3）。
其中测量点的坐标值由测量使用者在使用中具体给出，3个测量点选择规则为工件上表面囊括最大外形特征的三个位置点。
所述步骤五具体为：
所述测量数值的比较判断方法分为两种情况：表面对刀、底面对刀，两种不同情况通过定义的参数UNDERSIDE判断（底面为1，表面为0），程序写法为IF UNDERSIDE==1 GOTOFDIMIANDUIDAO，其意义为当参数UNDERSIDE为0时程序不跳转，继续依次执行后面程序，当参数UNDERSIDE为1时程序向后跳转至标签DIMIANDUIDAO：。
表面对刀（UNDERSIDE为0）
当测量程序运行至IF UNDERSIDE==1 GOTOF DIMIANDUIDAO程序段时，程序跳转至标签为GOON1:的程序段，此时对R30重新赋值为0，意义为将测头准确移动到工件上表面指定位置。当测头移动至指定测量点时执行测量动作，此时系统标准测量循环程序CYCLE978参数“补偿目标”设置为“生效零点偏置”，即第一点的测量数值补偿到生效零点偏置中，作为工件加工原点Z0，此数据用于比较后续两点阶差的基础数据。测量第二点与第三点的标准测量循环程序CYCLE978参数“补偿目标”均设置为“仅测量”，分别将测量结果数据转存至系统R参数中的R22、R23以备后续计算用。
第二点与第三点的测量数据是相对第一测量点的Z方向位置阶差。对第二点和第三点测量数据进行比较判断可以得出工件上表面相对机床坐标系中XY平面的平行度，由此来判断该工件上表面是否符合加工的公差要求，具体比较方法如图3第N42-N58。测量结果若在公差之内，那么最后将测量的第二、三点中最大阶差值取中值补偿到加工零点偏置中，程序继续至程序终点，最大限度保证工件加工基准的均匀性。测量结果若不在公差之内，那么程序将跳转至暂停程序段，停止机床动作并显示是第一点还是第二点超出公差的提示信息(如图3 N59-N63)。
底面对刀（UNDERSIDE为1）
当测量程序运行至程序段IF UNDERSIDE==1 GOTOF DIMIANDUIDAO时，程序将不执行跳转命令，继续按顺序执行后面的程序，此时R30为工件的厚度值，测头将准确移动到工件上表面指定位置。当测头移动至指定测量点时执行测量动作，此时系统标准测量循环程序CYCLE978参数“补偿目标”设置为“仅测量”，第一点的测量数值为工件表面距离工件底平面的距离，将测量结果数据转存至系统R参数中的R21。程序执行跳转指令转到程序段GOON2，测量第二点与第三点的标准测量循环程序CYCLE978参数“补偿目标”均设置为“仅测量”，分别将测量结果数据转存至系统R参数中的R22、R23以备后续计算用。程序继续执行至IF UNDERSIDE=1 GOTOF DIMIANDUIDAO段执行跳转指令（如图3）转到程序段标签DIMIANDUIDAO进行数据逻辑运算，对测量得出的数据进行排序比较，找出测量三点中的最大与最小点，并求出最大与最小点的差值并进行公差比较。若结果在公差之内，则程序继续至程序终点，若结果不在公差之内，那么程序将跳转至暂停程序段，停止机床动作并显示具体超出公差的提示信息(如图3)。
根据实际加工中所需的测量操作进行的程序编制优化，该方法通过将测量所需的轨迹编程进行参数化的输入，将复杂繁琐的G代码编程简单化，为普通操作者及编程人员带来便利，提高产品质量及工作效率。
现有西门子测量技术仅提供测量和原点地址存储功能，不具备多点测量计算功能，本申请的步骤二选用的参数中仅OFFSET_NO参数与西门子用法一样，其余参数均为控制测量点运动的参数。
步骤三可以实现多点测量并根据测量结果判断平面的高低情况，并且将测量所需的点位信息参数化方便编程，增加西门子数控系统平面测量的方法。
步骤三将测量过程中所使用的测量点位参数化，在使用时无需进行G代码编程。西门子系统要实现同一功能需要进行G代码编程，并根据实际情况进行轨迹规划，该方法无统一标准，编程繁琐。新方法较西门子系统编程实现同一功能更简单方便。
步骤四将测量过程中所使用的测量点位参数化，在使用时无需进行G代码编程。西门子系统要实现同一功能需要进行G代码编程，并根据实际情况进行轨迹规划，该方法无统一标准，编程繁琐。新方法较西门子系统编程实现同一功能更简单方便。
步骤五上实现参数化判断工件测量时具体对刀面在底面还是在上表面，提供Z方向测量运动轨迹的自动计算，改进西门子系统用G代码编制测量程序的繁琐过程。

Claims (4)

1.一种机床测头自动测量设定工件平面的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、数控系统的基础测量程序的选择；
步骤二、测量参数的选择和分配；
步骤三、测量程序结构设计；
步骤四、测量所需的测头运动轨迹的参数设计；
步骤五、测量数值的比较判断；
所述步骤二具体为：选择控制测量点运动的参数；
具体选择至少如下10个变量参数:
UNDERSIDE：零件是否为底面对刀；
OFFSET_NO：零件加工的原点地址号；
PART_H：零件的总厚度；
TOLERANCE：测量的公差；
AXIS_X1：测量点1的X坐标；
AXIS_Y1：测量点1的Y坐标；
AXIS_X2：测量点2的X坐标；
AXIS_Y2：测量点2的Y坐标；
AXIS_X3：测量点3的X坐标；
AXIS_Y3：测量点3的Y坐标；
上述10个参数中的第一个为布尔值，其余9个参数为实数；
所述步骤五具体为：
所述测量数值的比较判断方法分为两种情况：表面对刀、底面对刀，两种不同情况通过定义的参数UNDERSIDE判断。
2.根据权利要求1所述的一种机床测头自动测量设定工件平面的方法，其特征在于：
所述步骤一具体为：基于带有标准测量循环CYCLE978的西门子数控系统，使用西门子系统提供带形式参数的子程序功能，编制嵌套CYCLE978测量子程序的自动测量循环程序，将该子程序作为用户循环来使用。
3.根据权利要求1所述的一种机床测头自动测量设定工件平面的方法，其特征在于：
所述步骤三具体为：
定义步骤二中的参数：
包含至少10个参数的子程序，
通过定义的参数UNDERSIDE判断被测量零件是否为底面对刀；
将测头移动到测量点位的第一点，位置参数为AXIS_X1,AXIS_Y1；
调用西门子测量循环程序CYCLE978，当工件为表面对刀是设定工件坐标到指定零点偏置/当工件为底面对刀是记录测量坐标数值到R参数；
将测头移动到测量点位的第二点，位置参数为AXIS_X2,AXIS_Y2；
调用西门子测量循环程序CYCLE978；
将测头移动到测量点位的第三点，位置参数为AXIS_X3,AXIS_Y3；
调用西门子测量循环程序CYCLE978；
将测头抬高到安全点；
将记录下的测量数值进行比较判断，若是表面对刀且在测量公差范围内，则第一点的测量数值补偿到生效零点偏置中，作为工件加工原点Z0，此数据用于比较后续两点阶差的基础数据，第二点与第三点的测量数据是相对第一测量点的Z方向位置阶差，后将测量的第二、三点中最大阶差值取中值补偿到加工零点偏置中，超出公差则停机待问题处理；若是底面对刀且在测量公差范围内，那么程序继续运行加工零件，超出公差则停机待问题处理。
4.根据权利要求1所述的一种机床测头自动测量设定工件平面的方法，其特征在于：
所述步骤四具体为：
测头运动到测量所需的3个测量点上的运动轨迹的设计，运动轨迹所需的每一个坐标点数值是带有参数传递的变量；
移动至测量点1后进行测量，存储测量结构后，再移动至测量点2后进行测量，存储测量结构后移动至测量点3，测量后存储测量结果进行计算。
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