CN102275093A - 基于五轴数控系统的工件测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于针对现有技术中存在的数控系统各轴的运行数据采集实时性不强，采集系统实现复杂以及不具备通用性和扩展性的问题，提出了基于五轴数控系统的工件测量系统。计数装置采集数控机床各轴电机编码器的编码器反馈信号；位移传感器安装在数控机床刀具装夹部位，替换刀具，检测位移传感器到工件表面的位移信号并传送至工控机中；工控机定时读取编码器反馈信号和位移信号，对编码器反馈信号和位移信号进行数据处理，得到工件的三维点集。本发明的测量系统实时性好，具备通用性和扩展性，硬件连接简便可靠，便于使用和操作，测量精度高。

Description

基于五轴数控系统的工件测量系统

技术领域

本发明涉及数控加工、计算机控制和软件编程等技术，属于测量领域，具体涉及基于五轴数控系统的工件测量系统。

背景技术

数控系统在其测量过程中，机床数控系统各轴运行的实时数据采集问题成为测量过程中的一个关键环节。机床数控系统的数据采集大概分以下几种：(1)基于数控机床标准通信接口。这种方法实现简单、成本低，可采集数字和模拟信号。但采集数据实时性不好，系统不具备通用性和扩展性；(2)基于数控机床电气电路。继电器信号较易引出，传输速度快，但实现复杂，成本高，接线复杂，采集系统不易维护，一般只能采集开关量信号；(3)外接PLC的采集方法。数据传输速度快，但一般只能采集开关量信号，并且受数控系统开放性的影响；(4)基于ARM和Linux的软硬件实现方案。采用了网络通信计数，实时性不好；(5)编码器数据采集。采用光电编码器作为机床运动的位置信息传感器，采用CPLD和单片机实现分频计数，不具备通用性和扩展性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的数控系统各轴运行的数据采集实时性不强，采集系统实现复杂以及不具备通用性和扩展性的问题，提出了基于五轴数控系统的工件测量系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于五轴数控系统的工件测量系统，计数装置采集数控机床各轴电机编码器的编码器反馈信号；位移传感器安装在数控机床刀具装夹部位，替换刀具，检测位移传感器到工件表面的位移信号并传送至工控机中；工控机定时读取编码器反馈信号和位移信号，对编码器反馈信号和位移信号进行数据处理，得到工件的三维点集。

所述电机编码器为增量编码器时，还包括细分盒，数控机床的轴通过细分盒把编码器反馈信号分流成为两个并联的支路，一个支路将编码器位置信号反馈给数控系统的伺服驱动器构成位置闭环，另一个支路将增量编码器反馈信号送给计数装置采集数据，所述计数装置为脉冲计数卡。

所述电机编码器为绝对值编码器时，采用PCB接口板直接分绝对值编码器反馈信号给计数装置采集数据，所述计数装置为多功能计数卡。

所述计数装置通过总线将编码器反馈信号传送给工控机。

所述位移传感器为光谱共焦式位移传感器。

所述工控机定时读取编码器反馈信号和位移信号，对编码器反馈信号和位移信号进行数据处理，得到工件的三维点集的方法为：

工控机定时读取编码器反馈信号和位移信号，并把编码器反馈信号转换成机床的五轴坐标值；

工控机根据五轴坐标值和位移信号计算矢量和，得到工件的三维点集。

所述工控机通过公式

$\stackrel{\→}{Q}=\stackrel{\→}{P}+(l+d)*\stackrel{\→}{h}---\left(6\right)$

计算矢量和，其中，

为工件曲面上一点，

为摆头端部齐次坐标，l为位移传感器的长度，d为位移传感器测得的位移传感器与工件表面的距离值，

为位移传感器的单位矢量。

位移传感器的单位矢量

为：

$\stackrel{\→}{h}=\mathrm{Rot}(Z,c)\mathrm{Rot}(X,a)\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\sin c*\sin a\\ -\cos c*\sin a\\ -\cos c\\ 1\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中，a为传感器绕X轴旋转的角度，c为传感器绕Z轴旋转的角度，Rot(Z，c)表示传感器绕Z坐标轴旋转c角，Rot(X，a)表示传感器绕X坐标轴旋转a角。

本发明的有益效果体现在：

1.本发明测量系统实时性好。本发明测量系统由大部分硬件和一部分软件组成，通过硬件、软件协调配合，快述完成工件测量，实时性好；

2.本发明便于使用，便于操作，只需把系统硬件连接完成后，在工控机里启动软件并且启动机床扫描工件，即可在工控机里实时采集数据，可动态显示三维点云；

3.本发明的测量精度高。本发明采用位移传感器，精度高；

4.成本低。本发明采用比较普遍的脉冲计数卡和位移传感器来采集数据，降低了成本。

附图说明

图1是本发明的系统构成图；

图2是本发明的数据采集示意图；

图3是本发明的程序结构示意图；

图4是本发明的程序流程图；

图5是本发明矢量求和示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做详细说明。

实施例1

本发明基于五轴数控系统的工件测量系统包括工控机、计数装置以及位移传感器，数控系统中运动轴的绝对编码器的的反馈信号直接送至计数装置，计数装置将采集数据传送至工控机，位移传感器将检测的工件表面的位移信号送至工控机。

本实施例以西门子840D数控系统为例。西门子840D是五轴数控系统，包括X、Y、Z三个进给轴，A、C两个旋转轴。每个轴的接口(为DB25，包括编码器信号和温度传感器信号)连接到611D数字伺服模块上面的插口(x411或者x412)。本实施例所述这款数控系统各轴的编码器构成为：X、Y、Z、A、C轴的编码器为绝对编码器。计数装置采用脉冲计数卡PCI1784。所有信号电缆均为屏蔽电缆，可有效降低噪声和防止电磁干扰。

实际操作中，还须将数控机床刀具拆掉，把位移传感器安装在数控机床刀具装夹部位。

上述硬件部件连接就绪后，在工控机里运行工控机中的测量程序实现对西门子数控系统的工件测量，该测量程序包括以下步骤：

通过计数装置采集数控机床的运动数据，通过位移传感器采集工件的位移数据；利用上述数控机床的运动数据和工件的位移数据计算矢量和，得到工件的三维点集数据，完成对数控系统工件的数据采集。

如图4所示，测量程序启动后，根据工件的形状对计数装置以及位移传感器进行设置参数，设置完成后，启动数控系统的机床，进行工件扫描，得到机床五轴坐标值和工件的位移数据，再利用上述数据进行矢量求和计算，即可得到工件的三维点集数据，

信号数据的采集处理和三维点集的OpenGL动态显示都是在软件里实现的。

矢量求和计算如图5所示。

是工件曲面上一点(即所求三维点集)，

摆头端部，l是位移传感器的长度，d是位移传感器测得的距离值，是传感器的单位矢量。由数据采集得到的五轴坐标值，x，y，z，a，c，可以知道摆头端部用齐次坐标表示为

由基础旋转矩阵可知：

$\mathrm{Trans}(a,b,c)=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& a\\ 0& 1& 0& b\\ 0& 0& 1& c\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\mathrm{Rot}(X,\mathrm{\θ})=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \mathrm{C\θ}& -\mathrm{S\θ}& 0\\ 0& \mathrm{S\θ}& \mathrm{C\θ}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

$\mathrm{Rot}(Y,\mathrm{\θ})=\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{C\θ}& 0& \mathrm{S\θ}& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\mathrm{S\θ}& 0& \mathrm{C\θ}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(3\right)$

$\mathrm{Rot}(Z,\mathrm{\θ})=\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{C\θ}& -\mathrm{S\θ}& 0& 0\\ \mathrm{S\θ}& \mathrm{C\θ}& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

Trans(a，b，c)表示由向量ai+bj+ck定义的平移运动，Rot(X，θ)、Rot(Y，θ)和Rot(Z，θ)分别表示绕X，Y，Z坐标轴旋转θ角，C、S表示余弦和正弦函数。又知a是传感器绕X轴旋转的角度，c是绕Z轴旋转的角度。

$\stackrel{\→}{h}=\mathrm{Rot}(Z,c)\mathrm{Rot}(X,a)\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\sin c*\sin a\\ -\cos c*\sin a\\ -\cos c\\ 1\end{array}\right]---\left(5\right)$

可知单位矢量

那么可得三维点集的齐次坐标

$\stackrel{\→}{Q}=\stackrel{\→}{P}+(l+d)*\stackrel{\→}{h}---\left(6\right)$

本实施例采用的光谱共焦式位移传感器，是利用不同光有不同的波长的原理测量的，精度非常高，绝对误差可达11μm。

在整个测量过程中如果需要对整个测量曲面做定时数据采集，可以在工控机内部建立毫秒级定时周期，在每个定时周期内部对系统编码器信号做一次读取操作。应用软件开发中的硬件接口程序部分主要用来完成设备的打开、设备的关闭、模拟量输入和输出、开关量输入和输出以及编码器计数等功能。通过硬件驱动程序和自己编写的程序对驱动程序的调用就可以获得实时的机床坐标位置。

实施例2

如图1、2所示，与实施例1不同之处在于：除工控机、计数装置以及位移传感器外，还具有细分盒，所述细分盒为1个或多个，数控系统中具有增量编码器的轴的反馈信号分别通过细分盒分流成为两个并联的支路，每个细分盒将其中一路信号(TTL)送给计数装置；每个细分盒的另一路信号以原有的方式将增量编码器位置信号反馈给数控系统的伺服驱动器构成位置闭环；所述计数装置有脉冲计数卡和多功能计数卡，其中，脉冲计数卡通过细分盒接收增量编码器的反馈信号，多功能计数卡接收绝对编码器的反馈信号。计数装置与工控机通过总线连接。

本实施例以西门子840D数控系统为例，该系统为五轴数控系统，包括X、Y、Z三个进给轴，A、C两个旋转轴。每个轴的接口(为DB25，包括编码器信号和温度传感器信号)连接到611D数字伺服模块上面的插口(X411或者X412)。本实施例所述这款数控系统各轴的编码器构成为：X、Y、Z、C这4个轴的编码器为增量编码器，输出信号为sin/cos 1Vpp。A轴编码器(ECN113)为绝对编码器，输出信号为EnDaT信号。脉冲计数卡(型号为PCI1784)，为四轴正交编码器脉冲计数卡，多功能计数卡(型号为IK220)，支持4种编码器接口11μApp、1Vpp、EnDaT和SSI。

在机床数控系统的各轴运动数据采集时，如果机床电机的编码器是增量编码器，则把增量编码器反馈信号插头(DB25)通过PCB接口板输入到细分盒(IBV606)中，细分盒(IBV606)的输出一路(sin/cos 1Vpp信号)以原有的方式反馈给数控系统的伺服驱动器构成位置闭环，另一个支路(TTL信号)连接到工控机里的脉冲计数卡(PCI1784)。如果机床电机的编码器是绝对编码器，则也是通过PCB接口板分接绝对编码器反馈信号到计数装置(采用计数卡IK220)。

数控机床驱动轴的电机编码器是增量编码器的轴采用PCI1784卡计数为脉冲个数，通过机床实际距离和脉冲个数的线性关系，可以把脉冲值转换为实际坐标值。机床电机的编码器是绝对编码器的轴采用IK220计数卡，读出的就是实际坐标值。在得到各轴实时坐标值和位移传感器测量值的前提下，进行一个矢量变换即可得到工件表面的三维坐标值。

细分盒功能是：一路输入两路输出，输入信号为sin/cos 1Vpp，输出信号为一路sin/cos 1Vpp和一路2×TTL。

测量程序的运行过程如图4所示，与实施例1中所述过程相同，利用数控机床的运动数据和工件的位移数据计算矢量和的方法如图5所示，与实施例1中所述方法相同。

本实施例采用的软件结构示意图如图3所示。在整个测量过程中如果需要对整个测量曲面做定时数据采集，可以在工控机内部建立一个建立定时周期，在每个定时周期内部对系统编码器信号做一次读取操作。

应用软件开发中的硬件接口程序部分主要用来完成设备的打开、设备的关闭、模拟量输入和输出、开关量输入和输出以及编码器计数等功能。通过硬件驱动程序和自身编写的程序对驱动程序的调用就可以获得实时的机床坐标位置。

工业接口卡PCI1784的设备驱动程序支持可视化开发工具VC++。使用研华提供的驱动函数和包含驱动程序的动态链接库Adsapi32.lib，具体的操作步骤如下：在应用程序包含动态链接库的头文件，该头文件声明了所有的动态链接库中的函数；将动态链接库Adsapi32.lib的导入到工程模块中；在应用程序代码中，像调用全局函数一样直接调用驱动程序中提供的驱动函数来完成规定的功能。

工业接口卡IK220的设备驱动程序，与PCI1784类似，采用VC++，需要动态链接库IK220Dll.lib和动态链接IK220Dll.dll。

光谱共焦式位移传感器的测头驱动程序，采用VC++，需要动态链接库MEDAQLib.lib。

多媒体定时器的回调函数相当于一个中断服务程序，以全局函数的形式存在。回调函数过程即系统的实时任务周期性执行模块，其实现代码依据具体的功能需求来编写。在本测量系统软件中，首先设置好计数卡PCI1784、IK220和光谱共焦式位移传感器的参数，并运行；在多媒体定时器的回调函数中执行PCI1784、IK220和光谱共焦式位移传感器数值的读取，并进行矢量求和求得三维数据点云。

Claims (8)

1.一种基于五轴数控系统的工件测量系统，其特征在于，计数装置采集数控机床各轴电机编码器的编码器反馈信号；位移传感器安装在数控机床刀具装夹部位，替换刀具，检测位移传感器到工件表面的位移信号并传送至工控机中；工控机定时读取编码器反馈信号和位移信号，对编码器反馈信号和位移信号进行数据处理，得到工件的三维点集。

2.根据权利要求1所述的基于五轴数控系统的工件测量系统，其特征在于，所述电机编码器为增量编码器时，还包括细分盒，数控机床的轴通过细分盒把编码器反馈信号分流成为两个并联的支路，一个支路将编码器位置信号反馈给数控系统的伺服驱动器构成位置闭环，另一个支路将增量编码器反馈信号送给计数装置采集数据，所述计数装置为脉冲计数卡。

3.根据权利要求1所述的基于五轴数控系统的工件测量系统，其特征在于，所述电机编码器为绝对值编码器时，采用PCB接口板直接分绝对值编码器反馈信号给计数装置采集数据，所述计数装置为多功能计数卡。

4.根据权利要求1所述的基于五轴数控系统的工件测量系统，其特征在于，所述计数装置通过总线将编码器反馈信号传送给工控机。

5.根据权利要求1所述的基于五轴数控系统的工件测量系统，其特征在于，所述位移传感器为光谱共焦式位移传感器。

6.根据权利要求1所述的基于五轴数控系统的工件测量系统，其特征在于，所述工控机定时读取编码器反馈信号和位移信号，对编码器反馈信号和位移信号进行数据处理，得到工件的三维点集的方法为：

工控机定时读取编码器反馈信号和位移信号，并把编码器反馈信号转换成机床的五轴坐标值；

工控机根据五轴坐标值和位移信号计算矢量和，得到工件的三维点集。

7.根据权利要求6所述的基于五轴数控系统的工件测量系统，其特征在于，所述工控机通过公式

$\stackrel{\→}{Q}=\stackrel{\→}{P}+(l+d)*\stackrel{\→}{h}---\left(6\right)$

计算矢量和，其中，

为工件曲面上一点，

为摆头端部齐次坐标，l为位移传感器的长度，d为位移传感器测得的位移传感器与工件表面的距离值，

为位移传感器的单位矢量。

8.根据权利要求7所述的基于五轴数控系统的工件测量系统，其特征在于，位移传感器的单位矢量

为：

$\stackrel{\→}{h}=\mathrm{Rot}(Z,c)\mathrm{Rot}(X,a)\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\sin c*\sin a\\ -\cos c*\sin a\\ -\cos c\\ 1\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中，a为传感器绕X轴旋转的角度，c为传感器绕Z轴旋转的角度，_Rot(Z，c)表示传感器绕Z坐标轴旋转c角，Rot(X，a)表示传感器绕X坐标轴旋转a角。

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