CN111857043A - 一种机床三轴五自由度测头数据同步采集系统及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机床三轴五自由度测头数据同步采集系统及采集方法，机床三轴五自由度测头分为X轴测头、Y轴测头和Z轴测头，三个测头的轴向测量原理相同，X轴测头、Y轴测头和Z轴测头均由激光发射端和激光接收端组成，数据同步采集系统包括供电及控制机箱、上位机和数控系统，激光发射端和激光接收端均与供电及控制机箱通过屏蔽双绞线相连接，供电及控制机箱与上位机通过串口线相连接，上位机与数控系统通过传输线连接。

Description

一种机床三轴五自由度测头数据同步采集系统及采集方法

技术领域

本发明属于机床多自由度误差测量数据采集领域，特别是机床三轴五自由度测头的数据采集系统及采集方法。

背景技术

机床，是机械加工的工作母机，多轴联动的高精度数控机床等是实现高效高质量加工的重要手段，其加工精度是体现国家制造业水平高低的主要指标之一，采用恰当的方法提高机床的精度具有十分重要的意义。提高机床精度的基本方法有误差防止法和误差补偿法，其中误差补偿法通过测量机床的原始误差，通过机床误差模型算法解算出补偿量来削减原始误差。这种方式无需对已有硬件设备进行改造，可以减少硬件开销，经济有效且补偿精度高。误差的测量是误差补偿法的基础，常见的数控机床为三轴机床，包括21项几何误差，分别是各轴对应的六自由度误差以及每两轴之间的正交误差。目前，国内外用来测量机床误差的仪器有很多，如激光干涉仪、激光跟踪干涉仪、球杆仪等，但由于安装调整过程复杂，测量周期长，造价高、体积大等因素不能集成在数控机床中。专利号2019109776237，“带光路漂移补偿的收发分体式五自由度测量装置与方法”中提出一种基于激光准直与自准直原理实现测量的机床三轴五自由度测头，可同时测量机床三轴五自由度误差和激光角度漂，且可集成于数控机床。其原理如图1所示。

目前，机床三轴五自由度测头的数据采集系统存在不能实时同步采集的问题，采集到的机床误差信息不是同一时刻的数据，影响了机床空间误差解算的精度，阻碍了机床三轴五自由度测头的广泛使用和推广。为了同时采集多个角度及位移数据，分析机床多自由度的误差信息，需要多个测量装置同时采集数据，这就需要各个数据采集系统设置统一的时间基准，如果各个系统的同步精度不高，则采集到的数据具有较大的误差，从而导致解算得到的误差补偿值具有较大的误差，难以满足现代环境下高精度机床的加工精度要求。同时，机床三轴五自由度测头的数据采集系统大多是利用上位机中的高性能的中央处理器对误差信号进行处理、检测和分析。这种处理方法虽然简单，但中央处理器计算负担较大，且高性能的中央处理器价格昂贵，使得检测系统成本增加。即便是高性能的中央处理器，其计算能力和计算资源也十分有限，使得一台上位机难以同时采集、传输、处理较多通道的机床误差数据。

机床的误差采集往往是微小角度或者微小位移的多通道数据采集，其误差信号的变化十分微弱，必须使用一定的处理方法将信号放大，滤除噪声；采集系统的电路还应具有低漂移、抗干扰能力强的特点；各采样通道之间存在一定的相互干扰，也会影响数据采集的稳定性和测量的准确性。因此研制一种用于机床误差高精度、多自由度、实时同步采集的数据采集方法与系统具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种机床三轴五自由度测头数据同步采集系统及采集方法。具有微小信号获取、放大、滤波功能，同时对系统进行电磁兼容设计，提高抗干扰能力；实现机床误差同步采集，提高机床空间误差解算的准确性。通过数据多级处理方法，实现数据高效处理，提高实时性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种机床三轴五自由度测头数据同步采集系统，机床三轴五自由度测头分为X轴测头、Y轴测头和Z轴测头，三个测头的轴向测量原理相同，X轴测头、Y轴测头和Z轴测头均由激光发射端和激光接收端组成，数据同步采集系统包括供电及控制机箱、上位机和数控系统，激光发射端和激光接收端均与供电及控制机箱通过屏蔽双绞线相连接，供电及控制机箱与上位机通过串口线相连接，上位机与数控系统通过传输线连接；

所述激光接收端的电路部分包括三条支路，第一条支路由依次相连的1#四象限探测器、1#跨阻放大器、1#低通滤波器、1#A/D转换器、1#单片机和4#单片机组成；第二条支路由依次相连的2#四象限探测器、2#跨阻放大器、2#低通滤波器、2#A/D转换器、2#单片机和4#单片机组成；第三条支路由依次相连的1#位置敏感探测器、3#跨阻放大器、3#低通滤波器、3#A/D转换器、3#单片机和4#单片机组成；

所述激光发射端的电路部分包括两条支路，第一条支路由依次相连的2#位置敏感探测器、4#跨阻放大器、4#低通滤波器、4#A/D转换器、5#单片机和7#单片机组成；第二条支路由依次相连的3#位置敏感探测器、5#跨阻放大器、5#低通滤波器、5#A/D转换器、6#单片机和7#单片机组成。

进一步的，所述供电及控制机箱内设有8#单片机。

另一个技术方案如下：

一种机床三轴五自由度测头数据同步采集方法，包括以下步骤：

(1)当机床三轴五自由度测头工作时，各四象限探测器和各位置敏感探测器采集机床的误差信号并将其转换成电流信号；

(2)各跨阻放大器将采集到的电流信号转换为电压信号。

(3)各低通滤波器对跨阻放大器采集到的电压信号进行滤波处理，防止信号混叠；

(4)各A/D转换器采集跨阻放大器输出的电压信号，并转化为相应的数字信号；

(5)1#单片机、2#单片机、3#单片机、5#单片机、6#单片机采集A/D转换器输出的数字信号并进行数字滤波处理；

(6)4#单片机收到供电及控制机箱内的8#单片机发送的同步采集信号后，采集1#单片机、2#单片机、3#单片机输出的信号；7#单片机收到8#单片机发送的同步采集信号后，开始采集5#单片机、6#单片机输出的信号；

(7)上位机采集4#单片机、7#单片机输出的信号，通过计算得到机床三轴五自由度误差信息，并控制数控系统通过原点补偿法补偿机床三轴五自由度误差。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明解决了机床三轴五自由度测头多传感器数据同步采集的问题，能实时同步采集机床的误差信息并进行空间误差解算，提高了机床空间误差解算的精度，为机床误差补偿提供了可靠的数据支撑。

(2)本发明将数据采集、数据处理、同步信号发送任务分配到各级单片机，降低了对单片单片机的硬件要求，提高了数据采集与处理的稳定性，同时克服了传统机床三轴五自由度测头数据采集系统需要高性能高成本中央处理器的缺点，降低了系统成本。

(3)系统结构简单，体积小，可集成于数控机床内部，且可直接与数控系统通信，克服了传统机床误差测量系统如激光干涉仪、球杆仪等不能与机床集成，难以投入实际应用的缺点。

附图说明

图1是收发分体式五自由度测头整体结构图。

图2是机床三轴五自由度测头数据同步采集系统示意图。

附图标记：1为激光器，2为第一棱镜反射镜，3为第一分光镜，4为第二分光镜，5为第三分光镜，6为1#四象限探测器，7为第一凸透镜，8为1#位置敏感探测器，9为第二棱镜反射镜，10为第四分光镜，11为2#四象限探测器，12为第二凸透镜，13为2#位置敏感探测器，14为第三凸透镜，15为3#位置敏感探测器，16为激光发射端，17为激光接收端，18为1#跨阻放大器，19为2#跨阻放大器，20为3#跨阻放大器，21为1#低通滤波器，22为2#低通滤波器，23为3#低通滤波器，24为1#A/D转换器，25为2#A/D转换器，26为3#A/D转换器，27为1#单片机，28为2#单片机，29为3#单片机，30为4#单片机，31为4#跨阻放大器，32为5#跨阻放大器，33为4#低通滤波器，34为5#低通滤波器，35为4#A/D转换器，36为5#A/D转换器，37为5#单片机，38为6#单片机，39为7#单片机，40为X轴测头，41为Y轴测头，42为Z轴测头，43为8#单片机，44为上位机，45为数控系统。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

机床单轴五自由度测头分为激光发射端与激光接收端，如图1所示，激光发射端16与激光接收端17包括以下光学部分，激光器1发出激光，激光被第一棱镜反射镜2反射后，再经过第一分光镜3后分成两束激光，透过第一分光镜3的激光经过第二分光镜4后分成两束激光，透过第二分光镜4的激光经过第三分光镜5后分成两束激光，透过第三分光镜5的激光照射到1#四象限探测器6上，实现水平直线度与竖直直线度的测量，并作为该装置的二维直线度测量结果；被第三分光镜5反射的激光经过第一凸透镜7聚焦在1#位置敏感探测器8上，实现俯仰角、偏摆角测量；被第二分光镜4反射的激光经过第二凸透镜12聚焦在2#位置敏感探测器13上，实现透过第二分光镜4的激光角度漂移测量；被第一分光镜3反射的激光被第二棱镜反射镜9反射，被第二棱镜反射镜9反射的激光经过第四分光镜10后分成两束激光，透过第四分光镜10后的激光照射到2#四象限探测器11上，实现水平直线度与竖直直线度的测量，该装置只利用2#四象限探测器11的竖直方向直线度，并结合1#四象限探测器6的竖直方向直线度实现滚转角测量；被第四分光镜10反射的激光经过第三凸透镜14聚焦在3#位置敏感探测器15上，实现透过第四分光镜10的激光角度漂移测量；

同时，透过第二分光镜4的激光发生漂移时，影响俯仰角、偏摆角、水平直线度、竖直直线度、滚转角测量；透过第二分光镜10的激光发生漂移时，影响2#四象限探测器11处的竖直直线度测量，进而影响滚转角测量；测量光路角度漂移可通过2#位置敏感探测器13、3#位置敏感探测器15上的光斑位置变化进行补偿。

本实施例提供一种机床三轴五自由度测头数据同步采集系统，其中，机床三轴五自由度测头分为X轴测头40、Y轴测头41和Z轴测头42，三个测头的轴向测量原理相同，X轴测头、Y轴测头和Z轴测头均由激光发射端16和激光接收端17组成，数据同步采集系统包括供电及控制机箱、上位机44和数控系统45，供电及控制机箱内设有8#单片机43，激光发射端16和激光接收端17均与供电及控制机箱通过屏蔽多股双绞线相连接，供电及控制机箱与上位机44通过串口线相连接，上位机44与数控系统45通过传输线连接。

激光接收端的电路部分包括三条支路，第一条支路由依次相连的1#四象限探测器6、1#跨阻放大器18、1#低通滤波器21、1#A/D转换器24、1#单片机27和4#单片机30组成；

第二条支路由依次相连的2#四象限探测器11、2#跨阻放大器19、2#低通滤波器22、2#A/D转换器25、2#单片机28和4#单片机30组成；

第三条支路由依次相连的1#位置敏感探测器、3#跨阻放大器20、3#低通滤波器23、3#A/D转换器26、3#单片机29和4#单片机30组成；

激光发射端16的电路部分包括两条支路，第一条支路由依次相连的2#位置敏感探测器13、4#跨阻放大器31、4#低通滤波器33、4#A/D转换器35、5#单片机37和7#单片机39组成；第二条支路由依次相连的3#位置敏感探测器15、5#跨阻放大器32、5#低通滤波器34、5#A/D转换器36、6#单片机38和7#单片机39组成。

具体的，根据上述同步采集系统进行机床三轴五自由度测头数据同步采集的方法如下：

(1)、当机床三轴五自由度测头工作时，传感器1#四象限探测器6、2#四象限探测器11、1#位置敏感探测器8、2#位置敏感探测器13、3#位置敏感探测器15采集机床的误差信号并将其转换成电流信号。

(2)、1#跨阻放大18、2#跨阻放大19、3#跨阻放大20、4#跨阻放大31、5#跨阻放大32将上述传感器采集到的电流信号转换为电压信号。

(3)、1#低通滤波21、2#低通滤波22、3#低通滤波23、4#低通滤波33、5#低通滤波34将上述跨阻放大器采集到的电压信号进行滤波处理，防止信号混叠。

(4)、1#A/D转换器24、2#A/D转换器25、3#A/D转换器26、4#A/D转换器35、5#A/D36转换模块采集上述跨阻放大器输出的电压信号，将其转化为相应的数字信号。

(5)、1#单片机27、2#单片机28、3#单片机29、5#单片机37、6#单片机38采集上述A/D转换器输出的数字信号并进行数字滤波处理。

(6)、用户运行上位机44程序，由上位机44向8#单片机43发送采集开始指令。

(7)、8#单片机43接收到采集开始指令号后，向4#单片机30、7#单片机39发送同步采集指令。

(8)、4#单片机30接收到同步采集指令后，向1#单片机27、2#单片机28、3#单片机29发送同步采集指令；7#单片机39接收到同步采集指令后，向5#单片机37、6#单片机38发送同步采集指令。

(9)、1#单片机27、2#单片机28、3#单片机29接收到同步采集指令后，将采集到的机床误差信息实时同步的发送到4#单片机30；5#单片机37、6#单片机38接收到同步采集指令后，将采集到的补偿信息实时同步的发送到7#单片机39。

(10)、4#单片机30、7#单片机39采集到误差信息和补偿信息后，向8#单片机43发送采集完成指令。

(11)、7#单片机43接收到4#单片机30、7#单片机39发送的采集完成指令后，向上位机44发送采集完成指令。

(12)、上位机44接收到8#单片机43发送的采集完成指令后，向4#单片机30、7#单片机39发送数据读取指令。

(13)、4#单片机30、7#单片机39接收到上位机44发送的数据读取指令后，开始发送数据到上位机44。

(14)、上位机44读取到4#单片机30发送的机床误差信息和7#单片机39发送的补偿信息后，一次数据同步采集完成。

(15)、上位机44通过机床误差补偿模型解算得到补偿值。

(16)、上位机44将补偿值发送给数控系统45。

(17)、数控系统45接收到上位机发送的补偿值后，通过原点补偿法控制机床三轴移动，完成对机床三轴五自由度误差的补偿，减小机床的三轴五自由度误差。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种机床三轴五自由度测头数据同步采集系统，机床三轴五自由度测头分为X轴测头、Y轴测头和Z轴测头，三个测头的轴向测量原理相同，X轴测头、Y轴测头和Z轴测头均由激光发射端和激光接收端组成，其特征在于，数据同步采集系统包括供电及控制机箱、上位机和数控系统，激光发射端和激光接收端均与供电及控制机箱通过屏蔽双绞线相连接，供电及控制机箱与上位机通过串口线相连接，上位机与数控系统通过传输线连接；

所述激光接收端的电路部分包括三条支路，第一条支路由依次相连的1#四象限探测器、1#跨阻放大器、1#低通滤波器、1#A/D转换器、1#单片机和4#单片机组成；第二条支路由依次相连的2#四象限探测器、2#跨阻放大器、2#低通滤波器、2#A/D转换器、2#单片机和4#单片机组成；第三条支路由依次相连的1#位置敏感探测器、3#跨阻放大器、3#低通滤波器、3#A/D转换器、3#单片机和4#单片机组成；

所述激光发射端的电路部分包括两条支路，第一条支路由依次相连的2#位置敏感探测器、4#跨阻放大器、4#低通滤波器、4#A/D转换器、5#单片机和7#单片机组成；第二条支路由依次相连的3#位置敏感探测器、5#跨阻放大器、5#低通滤波器、5#A/D转换器、6#单片机和7#单片机组成。

2.根据权利要求1所述一种机床三轴五自由度测头数据同步采集系统，其特征在于，所述供电及控制机箱内设有8#单片机。

3.一种机床三轴五自由度测头数据同步采集方法，基于权利要求1所述数据同步采集系统，其特征在于，包括以下步骤：

(1)当机床三轴五自由度测头工作时，各四象限探测器和各位置敏感探测器采集机床的误差信号并将其转换成电流信号；

(2)各跨阻放大器将采集到的电流信号转换为电压信号。

(3)各低通滤波器对跨阻放大器采集到的电压信号进行滤波处理，防止信号混叠；

(4)各A/D转换器采集跨阻放大器输出的电压信号，并转化为相应的数字信号；

(5)1#单片机、2#单片机、3#单片机、5#单片机、6#单片机采集A/D转换器输出的数字信号并进行数字滤波处理；

(6)4#单片机收到供电及控制机箱发送的同步采集信号后，采集1#单片机、2#单片机、3#单片机输出的信号；7#单片机收到供电及控制机箱发送的同步采集信号后，开始采集5#单片机、6#单片机输出的信号；

(7)上位机采集4#单片机、7#单片机输出的信号，通过计算得到机床三轴五自由度误差信息，并控制数控系统通过原点补偿法补偿机床三轴五自由度误差。

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