張洲碩

（遼寧豐田金杯技師學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

隨著五軸數(shù)控系統(tǒng)在機(jī)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(jī)械工業(yè)進(jìn)步的因素，因此，為了減少五軸機(jī)床在工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)直線軸與旋轉(zhuǎn)軸之間的誤差，需要建立工件測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)五軸數(shù)控系統(tǒng)工作路徑的研究，獲取工件測(cè)量中所出現(xiàn)的誤差，以便更好地解決這一精度方面的問(wèn)題。本文便對(duì)五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行探討研究。

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

五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測(cè)量系統(tǒng)很大程度上提高了機(jī)床五軸數(shù)控系統(tǒng)的精準(zhǔn)性。測(cè)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(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)硬件與軟件的協(xié)調(diào)作用，快速完成機(jī)床五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測(cè)量，有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。且機(jī)床五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測(cè)量系統(tǒng)操作簡(jiǎn)捷，只需將工件測(cè)量的硬件設(shè)施進(jìn)行連接，在工控機(jī)中啟動(dòng)軟件系統(tǒng)使工控機(jī)開(kāi)始掃描機(jī)床工件，使得工控機(jī)可以有效收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，三維點(diǎn)云的數(shù)據(jù)也將被動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)。其次，五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測(cè)量系統(tǒng)采用位移傳感器有較高的精準(zhǔn)度，更好地完成機(jī)床五軸運(yùn)轉(zhuǎn)中的工件測(cè)量工作，減少機(jī)床五軸運(yùn)轉(zhuǎn)中所出現(xiàn)的誤差。最后，五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測(cè)量系統(tǒng)采用成本較低的脈沖計(jì)數(shù)卡與位移傳感器來(lái)收集數(shù)據(jù)，減少了機(jī)床五軸數(shù)控系統(tǒng)的花費(fèi)成本。

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

對(duì)于五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)涉及的計(jì)算機(jī)軟件編程、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制、數(shù)控系統(tǒng)加工等技術(shù)都屬于測(cè)量領(lǐng)域。在五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測(cè)量過(guò)程中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是機(jī)床五軸數(shù)控系統(tǒng)中各軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集。在五軸數(shù)控系統(tǒng)中，對(duì)實(shí)施數(shù)據(jù)的采集主要通過(guò)以下幾種方法。

（1）通過(guò)五軸數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)通信接口，這種方法步驟簡(jiǎn)潔，容易操作且使用成本較低?？梢圆杉瘷C(jī)床五軸運(yùn)轉(zhuǎn)中的數(shù)字與模擬信號(hào)，但存在的缺點(diǎn)是采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性較低，而且這種數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)通用范圍較小擴(kuò)展性也較弱。

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

（3）通過(guò)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(jiǎn)單。但這種收集方法會(huì)由于數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)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(kāi)關(guān)量信號(hào)。

（4）通過(guò)硬件與軟件系統(tǒng)協(xié)作實(shí)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(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)性收集傳輸。

（5）通過(guò)編碼器進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的采集，這種方式在目前較為常用，且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳收集與傳輸工作。它是通過(guò)光電編碼器根據(jù)信息傳感器獲取五軸數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)的位置信息，通過(guò)CPLD 與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分頻技術(shù)，但存在的缺點(diǎn)是通用性不強(qiáng)，自然所具有的擴(kuò)展性也較弱。

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

3.1 五軸數(shù)控系統(tǒng)工件測(cè)量系統(tǒng)原理

五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測(cè)量系統(tǒng)主要由激光測(cè)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(jī)床的運(yùn)動(dòng)軸上，而激光測(cè)量系統(tǒng)則會(huì)隨各軸的工作軌跡而發(fā)生移動(dòng)。當(dāng)五軸機(jī)床上的某兩個(gè)軸開(kāi)始工作時(shí)，工作臺(tái)的角度將會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此，對(duì)于五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測(cè)量系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)要確保測(cè)量系統(tǒng)可以測(cè)量不同角度的軸。這便需要六面體傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)成梯形，以更好的感知角度完成更精準(zhǔn)的測(cè)量。在工件測(cè)量系統(tǒng)組件的安裝中要注意進(jìn)行不同的角度安裝的思考，以便于測(cè)量系統(tǒng)可以與五軸數(shù)控系統(tǒng)在機(jī)床工作上部件相協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的測(cè)量。

3.2 五軸數(shù)控系統(tǒng)工件測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行

五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中主要通過(guò)硬件設(shè)施與軟件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)進(jìn)行工作。

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

工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析主要針對(duì)編碼器的反饋信息與位移信號(hào)的數(shù)據(jù)信息。但值得注意的是，由于電機(jī)編碼器的不同，所使用的計(jì)數(shù)卡也存在差異，在采用增量編碼器時(shí)，采集數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)裝置為脈沖計(jì)數(shù)卡。在電氣編碼器為絕對(duì)值編碼器時(shí)，所使用的計(jì)數(shù)裝置為多功能計(jì)數(shù)卡。其中，采集位移信號(hào)的數(shù)據(jù)信息是通過(guò)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(jī)床各軸的運(yùn)動(dòng)軌跡而實(shí)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，實(shí)時(shí)反映五軸數(shù)控機(jī)床各軸運(yùn)動(dòng)所出現(xiàn)的偏差。在工控機(jī)分析編碼器反饋信息與位移信號(hào)時(shí)，通過(guò)編碼器所反饋出的信息獲取五軸坐標(biāo)值，工控機(jī)根據(jù)編碼器所輸出的五軸坐標(biāo)值信息與位移信號(hào)進(jìn)行矢量和計(jì)算，進(jìn)一步得到工件的三維點(diǎn)集。

4 五軸數(shù)控系統(tǒng)工件測(cè)量實(shí)施方式

（1）以西門(mén)子840d 五軸數(shù)控系統(tǒng)為例，首先，進(jìn)行應(yīng)備設(shè)施的完善工作，將五軸系統(tǒng)中給進(jìn)軸與旋轉(zhuǎn)軸的每個(gè)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(jìn)軸與旋轉(zhuǎn)軸的編碼器設(shè)為絕對(duì)編碼器。其次，將信號(hào)電纜屏蔽，以防止電磁干擾，有效降低機(jī)器噪音。在進(jìn)行五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測(cè)量實(shí)際操作過(guò)程中，需要將位移傳感器安裝在數(shù)控機(jī)床裝夾部位，將數(shù)控機(jī)床上的刀具進(jìn)行拆卸。

將以上的硬件設(shè)施準(zhǔn)備就緒后，進(jìn)一步開(kāi)展五軸數(shù)控系統(tǒng)中的工件測(cè)量。首先，計(jì)數(shù)裝置完成對(duì)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)信息的采集。其次，通過(guò)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(jì)算矢量和，從而得到工件的三維點(diǎn)集信息數(shù)據(jù)。在啟動(dòng)測(cè)量程序后，測(cè)量機(jī)器會(huì)根據(jù)工件的形狀為計(jì)數(shù)裝置和位移傳感器設(shè)置詳細(xì)的參數(shù)，將參數(shù)設(shè)置完成后，通過(guò)開(kāi)啟數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床對(duì)工件進(jìn)行掃描，得到機(jī)床五軸坐標(biāo)值和工件位移數(shù)據(jù)，從而在工控機(jī)中完成工件的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示。

（2）這種實(shí)施方式與第一種實(shí)施方式存在一定差異，除了具有第一種實(shí)施方式中的工控機(jī)技術(shù)裝置以及位移傳感器，還具有細(xì)分盒，且細(xì)分盒具有多個(gè)。實(shí)施方式中，增量編碼器通過(guò)細(xì)分盒將編碼器反饋的信息分為兩個(gè)并聯(lián)支路。其中，一個(gè)支路用于輸送給計(jì)數(shù)裝置，以便于數(shù)據(jù)記錄，另一個(gè)支路則適用于伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成位置閉環(huán)。其中的計(jì)數(shù)裝置包括脈沖計(jì)數(shù)卡與多功能計(jì)數(shù)卡。脈沖計(jì)數(shù)卡主要作用是用于收集細(xì)分盒中編碼器的反饋信號(hào)，而多功能技術(shù)卡的主要作用是用于收集絕對(duì)編碼器的反饋信號(hào)。測(cè)量程序的運(yùn)行過(guò)程與第一種實(shí)施方式相同，都是通過(guò)五軸數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)與工件的位移數(shù)據(jù)得到矢量和。但這種實(shí)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(jī)床的內(nèi)部運(yùn)行中建立定時(shí)周期，通過(guò)定時(shí)周期的建立完成對(duì)五軸機(jī)床曲面定時(shí)測(cè)量工作，更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)整體編碼信號(hào)在定時(shí)的周期內(nèi)完成一次讀取操作。

這種實(shí)施方式中，五軸數(shù)控機(jī)床中的軟件應(yīng)用主要是用來(lái)對(duì)五軸數(shù)控系統(tǒng)中的硬件進(jìn)行控制，例如，設(shè)備的開(kāi)啟關(guān)閉、模擬量的輸出輸入等，五軸數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)通過(guò)自身硬件驅(qū)動(dòng)程序與工件測(cè)量所編寫(xiě)的程序，通過(guò)調(diào)用這些驅(qū)動(dòng)程序，進(jìn)一步獲取機(jī)床坐標(biāo)的實(shí)時(shí)位置。利用對(duì)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(shí)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(duì)工件位移數(shù)據(jù)的讀取工作，通過(guò)以上數(shù)據(jù)得到三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，五軸數(shù)控系統(tǒng)的工件測(cè)量系統(tǒng)的良好運(yùn)行，可以很大程度上解決五軸數(shù)控機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)中所出現(xiàn)的誤差。在面對(duì)國(guó)外技術(shù)壟斷的前提下，我國(guó)技術(shù)人員完成了對(duì)五軸控制系統(tǒng)的獨(dú)立探索研究工作。隨著我國(guó)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，對(duì)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(cè)量系統(tǒng)的不斷實(shí)踐探索、逐漸完善，必然會(huì)進(jìn)一步提高我國(guó)五軸數(shù)控系統(tǒng)的可用性，促進(jìn)我國(guó)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。