张洲硕

（辽宁丰田金杯技师学院，辽宁 沈阳 110000）

随着五轴数控系统在机械工业中的广泛应用，在五轴数控系统应用中所出现的误差也成为妨碍机械工业进步的因素，因此，为了减少五轴机床在工作运转时直线轴与旋转轴之间的误差，需要建立工件测量系统，通过对五轴数控系统工作路径的研究，获取工件测量中所出现的误差，以便更好地解决这一精度方面的问题。本文便对五轴数控系统的工件测量系统进行探讨研究。

1 五轴数控系统工件测量系统优势

五轴数控系统的工件测量系统很大程度上提高了机床五轴数控系统的精准性。测量系统由大部分硬件设施与小部分的软件组成。其中，加入了最新计算机技术，通过硬件与软件的协调作用，快速完成机床五轴数控系统的工件测量，有较强的实时性。且机床五轴数控系统的工件测量系统操作简捷，只需将工件测量的硬件设施进行连接，在工控机中启动软件系统使工控机开始扫描机床工件，使得工控机可以有效收集实时数据，三维点云的数据也将被动态呈现。其次，五轴数控系统的工件测量系统采用位移传感器有较高的精准度，更好地完成机床五轴运转中的工件测量工作，减少机床五轴运转中所出现的误差。最后，五轴数控系统的工件测量系统采用成本较低的脉冲计数卡与位移传感器来收集数据，减少了机床五轴数控系统的花费成本。

2 五轴数控系统工件测量系统所涉及的技术

对于五轴数控系统的工件测量系统开发涉及的计算机软件编程、计算机自动控制、数控系统加工等技术都属于测量领域。在五轴数控系统的工件测量过程中，最关键的环节是机床五轴数控系统中各轴运转时对于实时数据的采集。在五轴数控系统中，对实施数据的采集主要通过以下几种方法。

（1）通过五轴数控系统机床的标准通信接口，这种方法步骤简洁，容易操作且使用成本较低。可以采集机床五轴运转中的数字与模拟信号，但存在的缺点是采集数据的实时性较低，而且这种数据收集系统通用范围较小扩展性也较弱。

（2）通过五轴数控系统机床的电气电路，利用电气信号的易引出的特点，且电气信号传输速度快。但这种方法存在的缺点是实际操作过程较为复杂，且利用机床的电气电路所造成的成本较高。在硬件接线中实际操作也十分复杂，且这种采集系统维护工作进行较为困难。因此，使用数控机床的电气电路采集方法一般只用于采集开关量信号。

（3）通过外接PLC 收集数据信息，这种采集方法数据传输速度快，操作也较为简单。但这种收集方法会由于数控系统的开放性而造成影响。因此，也不能广泛应用，也只能用于采集开关量信号。

（4）通过硬件与软件系统协作实现数据的采集工作，主要依据为网络通信技术，但同样也受限于数据，无法进行实时性收集传输。

（5）通过编码器进行信息数据的采集，这种方式在目前较为常用，且实现了数据的实时传收集与传输工作。它是通过光电编码器根据信息传感器获取五轴数控机床运动的位置信息，通过CPLD 与单片机进行数据的分频技术，但存在的缺点是通用性不强，自然所具有的扩展性也较弱。

3 五轴数控系统工件测量系统内容

3.1 五轴数控系统工件测量系统原理

五轴数控系统的工件测量系统主要由激光测量系统和传感器系统两部分组成，传感器系统通常被固定在机床的运动轴上，而激光测量系统则会随各轴的工作轨迹而发生移动。当五轴机床上的某两个轴开始工作时，工作台的角度将会发生转变。因此，对于五轴数控系统的工件测量系统，在设计时要确保测量系统可以测量不同角度的轴。这便需要六面体传感器系统设计成梯形，以更好的感知角度完成更精准的测量。在工件测量系统组件的安装中要注意进行不同的角度安装的思考，以便于测量系统可以与五轴数控系统在机床工作上部件相协调，从而实现更精准的测量。

3.2 五轴数控系统工件测量系统运行

五轴数控系统的工件测量系统运行过程中主要通过硬件设施与软件系统的协调进行工作。

首先，完成硬件准备工作，其中包括对于五轴数控机床每轴的接口与伺服上面的插口进行连接。屏蔽相应的信号电缆，完成对五轴数控机床刀具拆卸的工作与位移传感器的安装。为后期工件测量系统正常运行提供保障，内部运行主要通过测量系统中的计数装置以及编码器所收集输出的信息传输到工控机，工控机通过对两者所传输的数据进行分析。

工控机进行数据处理分析主要针对编码器的反馈信息与位移信号的数据信息。但值得注意的是，由于电机编码器的不同，所使用的计数卡也存在差异，在采用增量编码器时，采集数据计数装置为脉冲计数卡。在电气编码器为绝对值编码器时，所使用的计数装置为多功能计数卡。其中，采集位移信号的数据信息是通过光谱共焦式位移传感器，这一传感器可以根据五轴数控机床各轴的运动轨迹而实行动态监控，实时反映五轴数控机床各轴运动所出现的偏差。在工控机分析编码器反馈信息与位移信号时，通过编码器所反馈出的信息获取五轴坐标值，工控机根据编码器所输出的五轴坐标值信息与位移信号进行矢量和计算，进一步得到工件的三维点集。

4 五轴数控系统工件测量实施方式

（1）以西门子840d 五轴数控系统为例，首先，进行应备设施的完善工作，将五轴系统中给进轴与旋转轴的每个接口连接到相应的数字伺服模板的插口上，构成统一的各轴编码器。将给进轴与旋转轴的编码器设为绝对编码器。其次，将信号电缆屏蔽，以防止电磁干扰，有效降低机器噪音。在进行五轴数控系统的工件测量实际操作过程中，需要将位移传感器安装在数控机床装夹部位，将数控机床上的刀具进行拆卸。

将以上的硬件设施准备就绪后，进一步开展五轴数控系统中的工件测量。首先，计数装置完成对数控机床的运动数据信息的采集。其次，通过位移传感器收集工件位移数据信息。利用这两种信息计算矢量和，从而得到工件的三维点集信息数据。在启动测量程序后，测量机器会根据工件的形状为计数装置和位移传感器设置详细的参数，将参数设置完成后，通过开启数控系统的机床对工件进行扫描，得到机床五轴坐标值和工件位移数据，从而在工控机中完成工件的三维点云数据动态显示。

（2）这种实施方式与第一种实施方式存在一定差异，除了具有第一种实施方式中的工控机技术装置以及位移传感器，还具有细分盒，且细分盒具有多个。实施方式中，增量编码器通过细分盒将编码器反馈的信息分为两个并联支路。其中，一个支路用于输送给计数装置，以便于数据记录，另一个支路则适用于伺服驱动器构成位置闭环。其中的计数装置包括脉冲计数卡与多功能计数卡。脉冲计数卡主要作用是用于收集细分盒中编码器的反馈信号，而多功能技术卡的主要作用是用于收集绝对编码器的反馈信号。测量程序的运行过程与第一种实施方式相同，都是通过五轴数控机床的运动数据与工件的位移数据得到矢量和。但这种实施方式的软件结构与第一种方式有所差异，可以在五轴数控机床的内部运行中建立定时周期，通过定时周期的建立完成对五轴机床曲面定时测量工作，更好地进行数据采集。系统整体编码信号在定时的周期内完成一次读取操作。

这种实施方式中，五轴数控机床中的软件应用主要是用来对五轴数控系统中的硬件进行控制，例如，设备的开启关闭、模拟量的输出输入等，五轴数控机床系统通过自身硬件驱动程序与工件测量所编写的程序，通过调用这些驱动程序，进一步获取机床坐标的实时位置。利用对工件扫描所获取的数据信息，设置好光谱共焦式位移传感器的参数，接着由多媒体定时器调和函数执行相应的程序系统，光谱共焦式传感器完成对工件位移数据的读取工作，通过以上数据得到三维数据点云。

5 结语

综上所述，五轴数控系统的工件测量系统的良好运行，可以很大程度上解决五轴数控机床运转中所出现的误差。在面对国外技术垄断的前提下，我国技术人员完成了对五轴控制系统的独立探索研究工作。随着我国机械工业的发展，对五轴控制系统也提出了更高的要求，但我们有理由相信，随着工件测量系统的不断实践探索、逐渐完善，必然会进一步提高我国五轴数控系统的可用性，促进我国机械工业的发展。