CN116690307B - 一种全闭环五轴数控机床的在机实时测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种全闭环五轴数控机床的在机实时测量方法及系统，该系统包括位移测量组件、信号分路器、多功能信号控制盒、光栅尺、同步通讯模块和上位机。位移测量组件中的高精度同轴夹具用于将该组件与机床主轴连接；多功能信号控制盒实时读取机床各轴光栅尺信号，同步触发位移传感器采集被测工件表面信息；同步通讯模块将各轴光栅尺信号和传感器测量信号并行缓存至上位机FIFO旋转缓冲模块，以减轻高速传输负担；上位机对FIFO模块中的各轴光栅尺信息和测量信息进行数据处理及坐标变换，最终获得被测工件表面的三维几何信息。本发明解决了全闭环数控机床各轴光栅尺与外部传感器难以实时同步采集的难题，满足了大型复杂曲面结构件在机精密测量的需求。
Description
技术领域
本发明属于复杂曲面结构件在机测量加工一体化技术领域，更具体地，涉及一种全闭环五轴数控机床的在机实时测量方法及系统。
背景技术
随着航空航天、能源动力等领域高端装备的不断发展，涌现出一大批性能要求越来越高的大型复杂曲面结构件，其壁厚和加工表面形状精度要求往往极为严苛，基于五轴数控机床的在机精密测量技术是实现该类结构件高质高效加工及精度评价的有效手段。现有大型复杂曲面结构件在机测量的通用方法是将测量传感器安装于机床主轴，并对机床各轴坐标和测量传感器采集的数据进行矢量求和得到结构件表面的三维数据。然而，数控机床各轴位置检测装置与主轴外接传感器的同步实时采集仍是在机测量有待解决的难点。
当前，数控机床在机测量的各轴位置信息主要有两种采集方式，一种是通过机床数控系统读取各轴位置，另一种是直接采集机床各轴电机编码器信息。具体如：专利“一种数控系统加工在线检测方法，CN110587378B”通过数控系统采集五轴数控机床各轴坐标信息，随后将外部传感器信息与各轴坐标信息定时发送到工控机；专利“基于五轴数控系统的工件测量系统，CN102275093B”通过外部计数装置读取传统半闭环五轴数控机床电机编码器信息来获取机床各轴坐标，随后工控机通过PCI总线周期性读取编码器反馈信号和外部传感器位移信号。总体上来说，基于数控系统的采集方式实现简单，但数控系统读取频率受限且具有延时性，难以保证机床各轴位置与测量传感器的同步实时采集；基于电机编码器的采集方式可在一定程度上提高机床各轴位置数据采集的实时性，但仍未实现各轴编码器和测量传感器数据的同步采集，且未考虑机床各轴的传动误差。鉴于此，通过全闭环数控机床的各轴光栅尺来检测各轴位置是有效的手段，但仅采用外部计数装置进行相关信息的实时高速采集和传输往往会导致部分数据丢失，迫切需要适用于全闭环五轴数控机床在机实时测量的方法及系统，以满足大型复杂曲面结构件的在机精密测量需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷和不足，本发明提供了一种用于全闭环五轴数控机床的在机实时测量方法及系统，通过建立机床各轴光栅尺、外部传感器和上位机之间的实时信息同步交互及FIFO旋转数据缓冲机制，以确保机床各轴位置和外部传感器数据的一一对应，解决全闭环数控机床各轴光栅尺与外部传感器难以同步实时采集的难题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种全闭环五轴数控机床的在机实时测量系统，主要包括位移测量组件、信号分路器、多功能信号控制盒、光栅尺、同步通讯模块及上位机，其中：
所述位移测量组件包括非接触式位移传感器和高精度同轴夹具，用于测量工件表面位置点，其安装于数控机床主轴，并可在所述全闭环五轴数控机床中的换刀机械手作用下自动放置于机床刀库。
所述全闭环五轴数控机床各轴光栅尺分别连接信号分路器，所述信号分路器将光栅尺信号实时反馈至数控系统和用于检测的多功能信号控制盒。
所述多功能信号控制盒同步实时读取全闭环五轴数控机床各轴光栅尺信号，并实时同步触发所述非接触式位移传感器采集被测工件表面信息。其中，所述各轴光栅尺信号包括各轴位置信号和时间戳索引信号，所述传感器测量信号包括光强信号、位移信号以及触发索引信号。
所述同步通讯模块将各轴光栅尺信号和传感器测量信号数据包通过TCP/IP实时并行缓存至上位机FIFO旋转缓冲模块，以减轻高速传输负担；所述上位机循环读取FIFO旋转缓冲模块中的数据，并同步向所述多功能信号控制盒和非接触式位移传感器发送数据确认信息，进而形成信息闭环，以保证机床各轴位置和测量数据的一一对应。在此基础上，所述上位机对各轴光栅尺信息和测量信息进行数据处理及坐标变换，最终获得被测工件表面的三维几何信息。
进一步的，所述非接触式位移传感器安装于高精度同轴夹具上，高精度同轴夹具的定位元件与机床主轴夹持单元精密配合，不仅能有效消除装夹误差，且可自动放置于机床刀库，以提高测量精度与效率。
进一步的，所述数控机床各轴均采用光栅尺实现高精度全闭环控制。所述光栅尺为增量式光栅尺时，直接通过接口板与信号分路器连接输出两路增量信号；所述光栅尺为绝对式光栅尺时，首先采用分线板将绝对式光栅尺信号分离为绝对值信号和增量信号两路，所述增量信号通过接口板与信号分路器连接分流为两路相同的增量信号。其中，一路增量信号与所述绝对值信号合并反馈位置至数控系统构成全闭环回路，另一路增量信号传输至多功能信号控制盒进行数据采集。
进一步的，所述同步通讯模块基于局域网来实现各设备之间的数据同步传输与交换。
更进一步的，所述局域网通过以太网交换机构建，其中，所述非接触式位移传感器通过Ethernet/IP将所测测量信号传输至以太网交换机，所述多功能信号控制盒通过Ethernet/IP将各轴光栅尺数据信号传输至以太网交换机，所述上位机作为终端设备与以太网交换机连接，通过FIFO旋转缓冲模块进行数据读取处理。
进一步的，所述FIFO旋转缓冲模块基于FIFO(First in,First out)存储器对连续数据流进行缓存，防止上位机在进行读取和存储操作时丢失数据，同时减轻了上位机CPU的计算负担，提高数据的传输速度。
进一步的，所述非接触式位移传感器为可触发式共聚焦位移传感器，所述可触发式共聚焦位移传感器测量信号传输方式为光纤传输。其它具有可触发功能的非接触式检测传感器亦适用本方法。
更进一步的，所述可触发式共聚焦位移传感器测量信号由多功能信号控制盒通过RS422信号同步触发。
进一步的，所述多功能信号控制盒分为主信号控制盒和从信号控制盒，用于全闭环数控机床各轴光栅尺信号的读取和处理，主控制盒和从控制盒之间通过级联同步触发数据采集。
一种用于全闭环五轴数控机床的在机实时测量方法，包括如下步骤：
S1.通过上位机设定非接触式位移传感器的外部触发类型、输出数据类型以及触发索引时间，设置多功能信号控制盒的操作模式、采样信号类型、采样频率及触发源。
S2.规划测量路径，保证机床主轴轴向与工件表面的法线方向同向，以提高测量数据的准确性。在此基础上，生成数控NC代码并导入数控系统，数控机床将位移测量组件安装至机床主轴，随后准备进行被测工件的整体扫描。
S3.设置上位机循环读取FIFO旋转缓冲模块中的各轴光栅尺信号和传感器测量信号数据集，并进行数据对比和筛选处理。
S4.根据数据对比和筛选处理结果，通过以下方式将各轴光栅尺信号中的位置数据和传感器测量信号中的位移数据合成，从而获得被测工件表面测量点的几何信息：
其中，表示被测工件表面测量点在工件坐标系下坐标信息，d为非接触式位移传感器的距离信号或距离信号与厚度信号之和，/>为测量点对应的非接触式位移传感器的光学零点q相对于全闭环五轴数控机床刀具运动轴基点的相对坐标 为测量点对应的非接触式位移传感器的出光矢量/>Tm为全闭环五轴数控机床各轴光栅尺位置信号所构成的平移矩阵，/>为全闭环五轴数控机床各轴光栅尺位置信号所构成的雅可比旋转逆矩阵。
S5.重复S3～S4步骤直至扫描结束，最终得到被测工件表面的三维几何信息。
S6.测量结束后，位移测量组件自动放回至机床刀库。
进一步的，所述数据对比和筛选处理方法具体为：首先，对比各轴光栅尺时间戳索引和传感器触发索引，根据数据对比结果删除时间差大于采样周期的各轴光栅尺信号和对应的传感器测量信号；随后，对传感器光强信号进行筛选，删除超出光强范围的传感器测量信号和对应的各轴光栅尺信号。
进一步的，所述多功能信号控制盒采样信号类型为正弦模拟量信号或TTL信号；所述采样频率设置范围为0.05-10kHz。
更进一步的，所述非接触式位移传感器采用可触发式共聚焦位移传感器时，其光强信号范围为5％-95％。
本发明的有益效果：
本发明面向全闭环五轴数控机床在机测量加工一体化领域，设计了一套非接触式在机实时测量系统，提出了一种全闭环五轴数控机床在机实时测量方法。本发明提供的高精度同轴夹具采用可自动换刀的标准刀柄结构，有效降低位移测量组件与机床主轴的装夹误差，进而提高了数控机床在机测量精度及加工效率。本发明使用标准硬件信号实现光栅尺检测装置与位移传感器的实时同步触发，通过同步通讯模块实现各设备间的实时信息同步交互和信息闭环，采用基于FIFO模块的数据旋转缓冲机制减轻数据高速传输负担，保证了全闭环数控机床各轴光栅尺与外部传感器的同步实时采集，进一步提高了在机测量系统的稳定性和测量精度。另外，本发明所用上位机使用扩展性更好的Ethernet/IP通讯，且无需依赖数控系统读取数据，可适用于不同类型的数控机床，具备良好的扩展性和可移植性。
附图说明
图1为在机实时测量系统整体机械结构示意图。
图2为位移测量组件整体结构示意图。
图3为图2的正视剖面及局部细节结构示意图。
图4为本发明在机实时测量系统架构图。
图5为图4中实时同步通讯模块的控制流程图。
图6为一种全闭环五轴数控机床的在机实时测量程序流程图。
图中：1.全闭环五轴摇篮式数控机床；2.机床主轴；3.位移测量组件；31.BT刀柄；32.抱夹块；321.夹板；322.支撑板；33.光纤出线孔；34.夹具外壳；341.夹持柱；35.压板；36.共聚焦传感器光束；37.共聚焦位移传感器；38.定位套；39.垫圈；4.机床刀库；5.铣刀。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述本发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在实例中，如图1～5所示，一种用于全闭环五轴摇篮式数控机床的非接触式实时同步测量系统，主要包括位移测量组件、海德汉信号分路器、海德汉多功能信号控制盒、光栅尺、全闭环五轴摇篮式数控机床、同步通讯模块及上位机。
如图1所示。位移测量组件通过BT刀柄31安装于全闭环五轴摇篮式数控机床1的主轴2，并可在所述全闭环五轴摇篮式数控机床1中的换刀机械手作用下自动放置于机床刀库4。图2和图3所示的位移测量组件3包括共聚焦位移传感器37和高精度同轴夹具，用于测量工件表面几何信息。传感器高精度同轴夹具主要包括BT刀柄31、抱夹块32、夹具外壳34、定位套38、压板35和垫圈39，其中，夹具外壳34的底端开口，中部设置光纤出线孔33，顶端封闭，且顶端外部轴线上设置夹持柱341，夹具外壳34顶端的夹持柱341用于保证夹具与BT刀柄31的同轴连接。抱夹块32包括夹板321和支撑板322，支撑板322为L型，一侧通过螺栓与夹具外壳34侧边连接，另一侧设有直槽口，如图3中A向局部视图所示。夹板321一侧通过连接螺栓与支撑板322的直槽口配合前后滑动，另一侧为圆弧状，表面贴有橡胶软垫，滑动夹板321使夹板321圆弧端橡胶与BT刀柄31表面贴合，此时锁紧夹板321与支撑板322在直槽口内的连接螺栓，以保证夹板321与BT刀柄31表面的夹紧。夹板321和支撑板322用于加强BT刀柄31和夹具外壳34的连接，并且承受夹具倾斜时自重所带来的弯矩。定位套38和压板35用于安装和定位共聚焦位移传感器37。非接触式位移传感器的光纤信号线可从光纤出线孔33延伸至同步通讯模块，定位套38和压板35之间可设置垫圈39。铣刀5放置于机床刀库4，用于测量工序后的铣削加工，从而实现全闭环数控机床在机测量加工一体化，
如图4所示，机床各轴光栅尺分别连接海德汉信号分路器，所述海德汉信号分路器将光栅尺信号实时反馈至蓝天数控系统和海德汉多功能信号控制盒，保证五轴数控机床的全闭环高精度控制。所述五轴数控机床的平动轴光栅尺为增量式光栅尺，直接通过接口板与海德汉信号分路器连接输出两路增量信号；所述五轴数控机床的旋转轴光栅尺为绝对式光栅尺，首先采用分线板将绝对式光栅尺信号分离为绝对值信号和增量信号两路，所述增量信号通过接口板与海德汉信号分路器连接分流为两路相同的增量信号，然后一路增量信号与所述绝对值信号合并反馈位置至数控系统构成全闭环回路，另一路增量信号传输至海德汉多功能信号控制盒进行信号采集。海德汉多功能信号控制盒同步实时读取全闭环五轴数控机床各轴光栅尺信号，并实时同步触发所述非接触式位移传感器采集被测工件表面信息。其中，所述各轴光栅尺信号包括位置信号和时间戳索引信号，所述传感器测量信号包括光强信号、厚度信号、距离信号以及触发索引信号。
图5所示的同步通讯模块基于局域网将各轴光栅尺信号和传感器测量信号数据包通过以太网交换机连接实时并行缓存至上位机FIFO模块，从而减轻高速传输负担；所述上位机循环读取FIFO模块中的数据，并同步向所述海德汉多功能信号控制盒和共聚焦位移传感器发送数据确认信息，进而形成信息闭环，以保证机床各轴位置和测量数据的一一对应。在此基础上，所述上位机对各轴光栅尺信息和测量信息进行数据处理及坐标变换，最终获得被测工件表面的三维几何信息。
结合上述在机实时测量系统，提出一种全闭环五轴数控机床的在机实时测量方法，其在机实时同步测量流程如图6所示，具体步骤如下：
S1.通过上位机设定可触发式共聚焦位移传感器为外部电平上升沿触发，输出信号类型为光强信号、厚度信号、距离信号以及触发索引时间；设置主海德汉多功能信号控制盒为实时通讯模式，采样信号类型为1Vpp正弦信号，采样频率为1kHz，触发源为内部触发，输出光栅尺位置信号和时间戳索引信号；从海德汉多功能信号控制盒触发源改为外部触发。
S2.规划测量路径，保证共聚焦传感器光束36与工件表面的法线方向同向，以提高测量数据的准确性。在此基础上，生成数控NC代码并导入数控系统，数控机床将位移测量组件安装至机床主轴2，随后准备进行被测工件的整体扫描。
S3.在上位机C++程序内导入共聚焦传感器和海德汉多功能信号控制盒的相应的头文件和dll动态链接库，并设置C++程序循环读取上位机FIFO旋转缓冲模块中的光栅尺信号和测量信号数据集，从而进行数据对比和筛选处理。所述数据对比和筛选处理方法具体为：首先，对比各轴光栅尺时间戳索引和传感器触发索引，根据数据对比结果删除时间差大于采样周期的各轴光栅尺信号和对应的传感器测量信号；随后，对传感器光强信号进行筛选，删除超出光强范围的传感器测量信号和对应的各轴光栅尺信号。采样周期为1ms，可用光强信号范围设置为5％-95％。
S4.根据数据对比和筛选处理结果，通过以下方式将各轴光栅尺信号中的位置数据和传感器测量信号中的位移数据合成，从而获得被测工件表面测量点的几何信息：
其中，表示工件表面测量点在机床工件坐标系下坐标信息，d为非接触式位移传感器的距离信号或距离信号与厚度信号之和，/>为测量点对应的非接触式位移传感器的光学零点q相对于全闭环五轴数控机床刀具运动轴基点的相对坐标 为测量点对应的非接触式位移传感器的出光矢量/> Tm为五轴数控机床X、Y和Z轴光栅尺位置信号所构成的平移矩阵[X YZ]T，/>为五轴数控机床A和C轴光栅尺位置信号所构成的雅可比旋转逆矩阵。
五轴摇篮式数控机床工件坐标系下的测量点坐标公式为：
S5.重复S3～S4步骤直至扫描结束，最终得到被测工件表面的三维几何信息。
S6.测量结束后，位移测量组件3配合数控NC程序自动放回至机床刀库4。
S7.机床刀库4将铣刀5安装于全闭环五轴数控机床，根据测量数据所得被测工件表面三维几何信息进行后续铣削加工。
Claims (8)
1.一种全闭环五轴数控机床的在机实时测量方法，其特征在于，所使用的在机实时测量系统包括位移测量组件、信号分路器、多功能信号控制盒、光栅尺、同步通讯模块及上位机，其中：
所述位移测量组件包括非接触式位移传感器和高精度同轴夹具，用于测量工件表面位置点，其安装于数控机床主轴，并可在所述全闭环五轴数控机床中的换刀机械手作用下自动放置于机床刀库；
所述全闭环五轴数控机床各轴光栅尺分别连接信号分路器，所述信号分路器将光栅尺信号实时反馈至数控系统和用于检测的多功能信号控制盒；
所述多功能信号控制盒同步实时读取全闭环五轴数控机床各轴光栅尺信号，并实时同步触发所述非接触式位移传感器采集被测工件表面信息；其中，所述各轴光栅尺信号包括各轴位置信号和时间戳索引信号，传感器测量信号包括光强信号、位移信号以及触发索引信号；
所述同步通讯模块将各轴光栅尺信号和传感器测量信号数据包通过TCP/IP实时并行缓存至上位机FIFO旋转缓冲模块，以减轻高速传输负担；所述上位机循环读取FIFO旋转缓冲模块中的数据，并同步向所述多功能信号控制盒和非接触式位移传感器发送数据确认信息，进而形成信息闭环，以保证机床各轴位置和测量数据的一一对应；在此基础上，所述上位机对各轴光栅尺信息和测量信息进行数据处理及坐标变换，最终获得被测工件表面的三维几何信息；
所述的全闭环五轴数控机床的在机实时测量方法包括如下步骤：
S1.通过上位机设定非接触式位移传感器的外部触发类型、输出数据类型以及触发索引时间，设置多功能信号控制盒的操作模式、采样信号类型、采样频率及触发源；
S2.规划测量路径，保证机床主轴轴向与工件表面的法线方向同向；生成数控NC代码并导入数控系统，数控机床将位移测量组件安装至机床主轴，随后准备进行被测工件的整体扫描；
S3.设置上位机循环读取FIFO旋转缓冲模块中的各轴光栅尺信号和传感器测量信号数据集，并进行数据对比和筛选处理；
S4.根据数据对比和筛选处理结果，通过以下方式将各轴光栅尺信号中的位置数据和传感器测量信号中的位移数据合成，从而获得被测工件表面测量点的几何信息：
其中，表示被测工件表面测量点在工件坐标系下坐标信息，d为非接触式位移传感器的距离信号或距离信号与厚度信号之和，/>为测量点对应的非接触式位移传感器的光学零点q相对于全闭环五轴数控机床刀具运动轴基点的相对坐标/> 为测量点对应的非接触式位移传感器的出光矢量/> Tm为全闭环五轴数控机床各轴光栅尺位置信号所构成的平移矩阵，/>为全闭环五轴数控机床各轴光栅尺位置信号所构成的雅可比旋转逆矩阵；
S5.重复S3～S4步骤直至扫描结束，最终得到被测工件表面的三维几何信息；
S6.测量结束后，位移测量组件自动放回至机床刀库。
2.根据权利要求1所述的一种全闭环五轴数控机床的在机实时测量方法，其特征在于，所述非接触式位移传感器安装于高精度同轴夹具上，高精度同轴夹具的定位元件与机床主轴夹持单元精密配合。
3.根据权利要求1所述的一种全闭环五轴数控机床的在机实时测量方法，其特征在于，所述光栅尺为增量式光栅尺时，直接通过接口板与信号分路器连接输出两路增量信号；所述光栅尺为绝对式光栅尺时，首先采用分线板将绝对式光栅尺信号分离为绝对值信号和增量信号两路，所述增量信号通过接口板与信号分路器连接分流为两路相同的增量信号；其中，一路增量信号与所述绝对值信号合并反馈位置至数控系统构成全闭环回路，另一路增量信号传输至多功能信号控制盒进行数据采集。
4.根据权利要求1所述的一种全闭环五轴数控机床的在机实时测量方法，其特征在于，所述同步通讯模块基于局域网来实现各设备之间的数据同步传输与交换；
所述局域网通过以太网交换机构建，其中，所述非接触式位移传感器通过Ethernet/IP将所测测量信号传输至以太网交换机，所述多功能信号控制盒通过Ethernet/IP将各轴光栅尺数据信号传输至以太网交换机，所述上位机作为终端设备与以太网交换机连接，通过FIFO旋转缓冲模块进行数据读取处理；
所述FIFO旋转缓冲模块基于FIFO存储器对连续数据流进行缓存。
5.根据权利要求2所述的一种全闭环五轴数控机床的在机实时测量方法，其特征在于，非接触式位移传感器为可触发式共聚焦位移传感器，所述可触发式共聚焦位移传感器测量信号传输方式为光纤传输；所述可触发式共聚焦位移传感器测量信号由多功能信号控制盒通过RS422信号同步触发。
6.根据权利要求1所述的一种全闭环五轴数控机床的在机实时测量方法，其特征在于，所述多功能信号控制盒分为主信号控制盒和从信号控制盒，用于全闭环数控机床各轴光栅尺信号的读取和处理，主控制盒和从控制盒之间通过级联同步触发数据采集。
7.根据权利要求1所述的一种全闭环五轴数控机床的在机实时测量方法，其特征在于，所述数据对比和筛选处理方法具体为：首先，对比各轴光栅尺时间戳索引和传感器触发索引，根据数据对比结果删除时间差大于采样周期的各轴光栅尺信号和对应的传感器测量信号；随后，对传感器光强信号进行筛选，删除超出光强范围的传感器测量信号和对应的各轴光栅尺信号。
8.根据权利要求1所述的一种全闭环五轴数控机床的在机实时测量方法，其特征在于，所述多功能信号控制盒采样信号类型为正弦模拟量信号或TTL信号；所述采样频率设置范围为0.05-10kHz；所述非接触式位移传感器采用可触发式共聚焦位移传感器时，其光强信号范围为5％-95％。
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