淺談基于五軸數控系統的工件測量系統

張洲碩

（遼寧豐田金杯技師學院，遼寧 沈陽 110000）

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

1 五軸數控系統工件測量系統優勢

五軸數控系統的工件測量系統很大程度上提高了機床五軸數控系統的精準性。測量系統由大部分硬件設施與小部分的軟件組成。其中，加入了最新計算機技術，通過硬件與軟件的協調作用，快速完成機床五軸數控系統的工件測量，有較強的實時性。且機床五軸數控系統的工件測量系統操作簡捷，只需將工件測量的硬件設施進行連接，在工控機中啟動軟件系統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據，三維點云的數據也將被動態呈現。其次，五軸數控系統的工件測量系統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中的工件測量工作，減少機床五軸運轉中所出現的誤差。最后，五軸數控系統的工件測量系統采用成本較低的脈沖計數卡與位移傳感器來收集數據，減少了機床五軸數控系統的花費成本。

2 五軸數控系統工件測量系統所涉及的技術

對于五軸數控系統的工件測量系統開發涉及的計算機軟件編程、計算機自動控制、數控系統加工等技術都屬于測量領域。在五軸數控系統的工件測量過程中，最關鍵的環節是機床五軸數控系統中各軸運轉時對于實時數據的采集。在五軸數控系統中，對實施數據的采集主要通過以下幾種方法。

（1）通過五軸數控系統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。可以采集機床五軸運轉中的數字與模擬信號，但存在的缺點是采集數據的實時性較低，而且這種數據收集系統通用范圍較小擴展性也較弱。

（2）通過五軸數控系統機床的電氣電路，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雜，且這種采集系統維護工作進行較為困難。因此，使用數控機床的電氣電路采集方法一般只用于采集開關量信號。

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

（4）通過硬件與軟件系統協作實現數據的采集工作，主要依據為網絡通信技術，但同樣也受限于數據，無法進行實時性收集傳輸。

（5）通過編碼器進行信息數據的采集，這種方式在目前較為常用，且實現了數據的實時傳收集與傳輸工作。它是通過光電編碼器根據信息傳感器獲取五軸數控機床運動的位置信息，通過CPLD 與單片機進行數據的分頻技術，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 五軸數控系統工件測量系統內容

3.1 五軸數控系統工件測量系統原理

五軸數控系統的工件測量系統主要由激光測量系統和傳感器系統兩部分組成，傳感器系統通常被固定在機床的運動軸上，而激光測量系統則會隨各軸的工作軌跡而發生移動。當五軸機床上的某兩個軸開始工作時，工作臺的角度將會發生轉變。因此，對于五軸數控系統的工件測量系統，在設計時要確保測量系統可以測量不同角度的軸。這便需要六面體傳感器系統設計成梯形，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，以便于測量系統可以與五軸數控系統在機床工作上部件相協調，從而實現更精準的測量。

3.2 五軸數控系統工件測量系統運行

五軸數控系統的工件測量系統運行過程中主要通過硬件設施與軟件系統的協調進行工作。

首先，完成硬件準備工作，其中包括對于五軸數控機床每軸的接口與伺服上面的插口進行連接。屏蔽相應的信號電纜，完成對五軸數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正常運行提供保障，內部運行主要通過測量系統中的計數裝置以及編碼器所收集輸出的信息傳輸到工控機，工控機通過對兩者所傳輸的數據進行分析。

工控機進行數據處理分析主要針對編碼器的反饋信息與位移信號的數據信息。但值得注意的是，由于電機編碼器的不同，所使用的計數卡也存在差異，在采用增量編碼器時，采集數據計數裝置為脈沖計數卡。在電氣編碼器為絕對值編碼器時，所使用的計數裝置為多功能計數卡。其中，采集位移信號的數據信息是通過光譜共焦式位移傳感器，這一傳感器可以根據五軸數控機床各軸的運動軌跡而實行動態監控，實時反映五軸數控機床各軸運動所出現的偏差。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 五軸數控系統工件測量實施方式

（1）以西門子840d 五軸數控系統為例，首先，進行應備設施的完善工作，將五軸系統中給進軸與旋轉軸的每個接口連接到相應的數字伺服模板的插口上，構成統一的各軸編碼器。將給進軸與旋轉軸的編碼器設為絕對編碼器。其次，將信號電纜屏蔽，以防止電磁干擾，有效降低機器噪音。在進行五軸數控系統的工件測量實際操作過程中，需要將位移傳感器安裝在數控機床裝夾部位，將數控機床上的刀具進行拆卸。

將以上的硬件設施準備就緒后，進一步開展五軸數控系統中的工件測量。首先，計數裝置完成對數控機床的運動數據信息的采集。其次，通過位移傳感器收集工件位移數據信息。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據。在啟動測量程序后，測量機器會根據工件的形狀為計數裝置和位移傳感器設置詳細的參數，將參數設置完成后，通過開啟數控系統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據，從而在工控機中完成工件的三維點云數據動態顯示。

（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支路。其中，一個支路用于輸送給計數裝置，以便于數據記錄，另一個支路則適用于伺服驅動器構成位置閉環。其中的計數裝置包括脈沖計數卡與多功能計數卡。脈沖計數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，都是通過五軸數控機床的運動數據與工件的位移數據得到矢量和。但這種實施方式的軟件結構與第一種方式有所差異，可以在五軸數控機床的內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，更好地進行數據采集。系統整體編碼信號在定時的周期內完成一次讀取操作。

這種實施方式中，五軸數控機床中的軟件應用主要是用來對五軸數控系統中的硬件進行控制，例如，設備的開啟關閉、模擬量的輸出輸入等，五軸數控機床系統通過自身硬件驅動程序與工件測量所編寫的程序，通過調用這些驅動程序，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據信息，設置好光譜共焦式位移傳感器的參數，接著由多媒體定時器調和函數執行相應的程序系統，光譜共焦式傳感器完成對工件位移數據的讀取工作，通過以上數據得到三維數據點云。

5 結語

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