淺談基于五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測量系統(tǒng)

張洲碩

（遼寧豐田金杯技師學(xué)院，遼寧 沈陽 110000）

隨著五軸數(shù)控系統(tǒng)在機械工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，在五軸數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用中所出現(xiàn)的誤差也成為妨礙機械工業(yè)進步的因素，因此，為了減少五軸機床在工作運轉(zhuǎn)時直線軸與旋轉(zhuǎn)軸之間的誤差，需要建立工件測量系統(tǒng)，通過對五軸數(shù)控系統(tǒng)工作路徑的研究，獲取工件測量中所出現(xiàn)的誤差，以便更好地解決這一精度方面的問題。本文便對五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測量系統(tǒng)進行探討研究。

1 五軸數(shù)控系統(tǒng)工件測量系統(tǒng)優(yōu)勢

五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測量系統(tǒng)很大程度上提高了機床五軸數(shù)控系統(tǒng)的精準性。測量系統(tǒng)由大部分硬件設(shè)施與小部分的軟件組成。其中，加入了最新計算機技術(shù)，通過硬件與軟件的協(xié)調(diào)作用，快速完成機床五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測量，有較強的實時性。且機床五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測量系統(tǒng)操作簡捷，只需將工件測量的硬件設(shè)施進行連接，在工控機中啟動軟件系統(tǒng)使工控機開始掃描機床工件，使得工控機可以有效收集實時數(shù)據(jù)，三維點云的數(shù)據(jù)也將被動態(tài)呈現(xiàn)。其次，五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測量系統(tǒng)采用位移傳感器有較高的精準度，更好地完成機床五軸運轉(zhuǎn)中的工件測量工作，減少機床五軸運轉(zhuǎn)中所出現(xiàn)的誤差。最后，五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測量系統(tǒng)采用成本較低的脈沖計數(shù)卡與位移傳感器來收集數(shù)據(jù)，減少了機床五軸數(shù)控系統(tǒng)的花費成本。

2 五軸數(shù)控系統(tǒng)工件測量系統(tǒng)所涉及的技術(shù)

對于五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測量系統(tǒng)開發(fā)涉及的計算機軟件編程、計算機自動控制、數(shù)控系統(tǒng)加工等技術(shù)都屬于測量領(lǐng)域。在五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測量過程中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是機床五軸數(shù)控系統(tǒng)中各軸運轉(zhuǎn)時對于實時數(shù)據(jù)的采集。在五軸數(shù)控系統(tǒng)中，對實施數(shù)據(jù)的采集主要通過以下幾種方法。

（1）通過五軸數(shù)控系統(tǒng)機床的標準通信接口，這種方法步驟簡潔，容易操作且使用成本較低?？梢圆杉瘷C床五軸運轉(zhuǎn)中的數(shù)字與模擬信號，但存在的缺點是采集數(shù)據(jù)的實時性較低，而且這種數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)通用范圍較小擴展性也較弱。

（2）通過五軸數(shù)控系統(tǒng)機床的電氣電路，利用電氣信號的易引出的特點，且電氣信號傳輸速度快。但這種方法存在的缺點是實際操作過程較為復(fù)雜，且利用機床的電氣電路所造成的成本較高。在硬件接線中實際操作也十分復(fù)雜，且這種采集系統(tǒng)維護工作進行較為困難。因此，使用數(shù)控機床的電氣電路采集方法一般只用于采集開關(guān)量信號。

（3）通過外接PLC 收集數(shù)據(jù)信息，這種采集方法數(shù)據(jù)傳輸速度快，操作也較為簡單。但這種收集方法會由于數(shù)控系統(tǒng)的開放性而造成影響。因此，也不能廣泛應(yīng)用，也只能用于采集開關(guān)量信號。

（4）通過硬件與軟件系統(tǒng)協(xié)作實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集工作，主要依據(jù)為網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，但同樣也受限于數(shù)據(jù)，無法進行實時性收集傳輸。

（5）通過編碼器進行信息數(shù)據(jù)的采集，這種方式在目前較為常用，且實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時傳收集與傳輸工作。它是通過光電編碼器根據(jù)信息傳感器獲取五軸數(shù)控機床運動的位置信息，通過CPLD 與單片機進行數(shù)據(jù)的分頻技術(shù)，但存在的缺點是通用性不強，自然所具有的擴展性也較弱。

3 五軸數(shù)控系統(tǒng)工件測量系統(tǒng)內(nèi)容

3.1 五軸數(shù)控系統(tǒng)工件測量系統(tǒng)原理

五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測量系統(tǒng)主要由激光測量系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)兩部分組成，傳感器系統(tǒng)通常被固定在機床的運動軸上，而激光測量系統(tǒng)則會隨各軸的工作軌跡而發(fā)生移動。當(dāng)五軸機床上的某兩個軸開始工作時，工作臺的角度將會發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此，對于五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測量系統(tǒng)，在設(shè)計時要確保測量系統(tǒng)可以測量不同角度的軸。這便需要六面體傳感器系統(tǒng)設(shè)計成梯形，以更好的感知角度完成更精準的測量。在工件測量系統(tǒng)組件的安裝中要注意進行不同的角度安裝的思考，以便于測量系統(tǒng)可以與五軸數(shù)控系統(tǒng)在機床工作上部件相協(xié)調(diào)，從而實現(xiàn)更精準的測量。

3.2 五軸數(shù)控系統(tǒng)工件測量系統(tǒng)運行

五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測量系統(tǒng)運行過程中主要通過硬件設(shè)施與軟件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)進行工作。

首先，完成硬件準備工作，其中包括對于五軸數(shù)控機床每軸的接口與伺服上面的插口進行連接。屏蔽相應(yīng)的信號電纜，完成對五軸數(shù)控機床刀具拆卸的工作與位移傳感器的安裝。為后期工件測量系統(tǒng)正常運行提供保障，內(nèi)部運行主要通過測量系統(tǒng)中的計數(shù)裝置以及編碼器所收集輸出的信息傳輸?shù)焦た貦C，工控機通過對兩者所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分析。

工控機進行數(shù)據(jù)處理分析主要針對編碼器的反饋信息與位移信號的數(shù)據(jù)信息。但值得注意的是，由于電機編碼器的不同，所使用的計數(shù)卡也存在差異，在采用增量編碼器時，采集數(shù)據(jù)計數(shù)裝置為脈沖計數(shù)卡。在電氣編碼器為絕對值編碼器時，所使用的計數(shù)裝置為多功能計數(shù)卡。其中，采集位移信號的數(shù)據(jù)信息是通過光譜共焦式位移傳感器，這一傳感器可以根據(jù)五軸數(shù)控機床各軸的運動軌跡而實行動態(tài)監(jiān)控，實時反映五軸數(shù)控機床各軸運動所出現(xiàn)的偏差。在工控機分析編碼器反饋信息與位移信號時，通過編碼器所反饋出的信息獲取五軸坐標值，工控機根據(jù)編碼器所輸出的五軸坐標值信息與位移信號進行矢量和計算，進一步得到工件的三維點集。

4 五軸數(shù)控系統(tǒng)工件測量實施方式

（1）以西門子840d 五軸數(shù)控系統(tǒng)為例，首先，進行應(yīng)備設(shè)施的完善工作，將五軸系統(tǒng)中給進軸與旋轉(zhuǎn)軸的每個接口連接到相應(yīng)的數(shù)字伺服模板的插口上，構(gòu)成統(tǒng)一的各軸編碼器。將給進軸與旋轉(zhuǎn)軸的編碼器設(shè)為絕對編碼器。其次，將信號電纜屏蔽，以防止電磁干擾，有效降低機器噪音。在進行五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測量實際操作過程中，需要將位移傳感器安裝在數(shù)控機床裝夾部位，將數(shù)控機床上的刀具進行拆卸。

將以上的硬件設(shè)施準備就緒后，進一步開展五軸數(shù)控系統(tǒng)中的工件測量。首先，計數(shù)裝置完成對數(shù)控機床的運動數(shù)據(jù)信息的采集。其次，通過位移傳感器收集工件位移數(shù)據(jù)信息。利用這兩種信息計算矢量和，從而得到工件的三維點集信息數(shù)據(jù)。在啟動測量程序后，測量機器會根據(jù)工件的形狀為計數(shù)裝置和位移傳感器設(shè)置詳細的參數(shù)，將參數(shù)設(shè)置完成后，通過開啟數(shù)控系統(tǒng)的機床對工件進行掃描，得到機床五軸坐標值和工件位移數(shù)據(jù)，從而在工控機中完成工件的三維點云數(shù)據(jù)動態(tài)顯示。

（2）這種實施方式與第一種實施方式存在一定差異，除了具有第一種實施方式中的工控機技術(shù)裝置以及位移傳感器，還具有細分盒，且細分盒具有多個。實施方式中，增量編碼器通過細分盒將編碼器反饋的信息分為兩個并聯(lián)支路。其中，一個支路用于輸送給計數(shù)裝置，以便于數(shù)據(jù)記錄，另一個支路則適用于伺服驅(qū)動器構(gòu)成位置閉環(huán)。其中的計數(shù)裝置包括脈沖計數(shù)卡與多功能計數(shù)卡。脈沖計數(shù)卡主要作用是用于收集細分盒中編碼器的反饋信號，而多功能技術(shù)卡的主要作用是用于收集絕對編碼器的反饋信號。測量程序的運行過程與第一種實施方式相同，都是通過五軸數(shù)控機床的運動數(shù)據(jù)與工件的位移數(shù)據(jù)得到矢量和。但這種實施方式的軟件結(jié)構(gòu)與第一種方式有所差異，可以在五軸數(shù)控機床的內(nèi)部運行中建立定時周期，通過定時周期的建立完成對五軸機床曲面定時測量工作，更好地進行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)整體編碼信號在定時的周期內(nèi)完成一次讀取操作。

這種實施方式中，五軸數(shù)控機床中的軟件應(yīng)用主要是用來對五軸數(shù)控系統(tǒng)中的硬件進行控制，例如，設(shè)備的開啟關(guān)閉、模擬量的輸出輸入等，五軸數(shù)控機床系統(tǒng)通過自身硬件驅(qū)動程序與工件測量所編寫的程序，通過調(diào)用這些驅(qū)動程序，進一步獲取機床坐標的實時位置。利用對工件掃描所獲取的數(shù)據(jù)信息，設(shè)置好光譜共焦式位移傳感器的參數(shù)，接著由多媒體定時器調(diào)和函數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的程序系統(tǒng)，光譜共焦式傳感器完成對工件位移數(shù)據(jù)的讀取工作，通過以上數(shù)據(jù)得到三維數(shù)據(jù)點云。

5 結(jié)語

綜上所述，五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測量系統(tǒng)的良好運行，可以很大程度上解決五軸數(shù)控機床運轉(zhuǎn)中所出現(xiàn)的誤差。在面對國外技術(shù)壟斷的前提下，我國技術(shù)人員完成了對五軸控制系統(tǒng)的獨立探索研究工作。隨著我國機械工業(yè)的發(fā)展，對五軸控制系統(tǒng)也提出了更高的要求，但我們有理由相信，隨著工件測量系統(tǒng)的不斷實踐探索、逐漸完善，必然會進一步提高我國五軸數(shù)控系統(tǒng)的可用性，促進我國機械工業(yè)的發(fā)展。