数控机床测量功能的研究

数控机床测量功能的研究

数控机床的主要功能是将产品的数学模型转化成现实的产品，而对于一些特殊的没有设计图纸的产品，必须采用传统测绘或各种先进测量方法，进行三维数字化，经过一定的处理后，可用它来对零件表面进行三维重构，然后借助计算机辅助设计系统((CAD)构造实物的三维模型，再由机床制造出产品或原型。这一产品开发模式称为逆向工程，简称RE。三坐标测量机就是逆向工程中应用较广泛、测量精度较高的设备。但其价格昂贵，性能价格比又不如数控机床，普及程度受到了限制，而数控系统正朝着高精度、高速度、多功能、智能化及开放性方向发展，现代数控系统的扩展性和兼容性都较好，使一台数控机床具有一定精度的三维坐标测量功能是现实可行的。

1.数控机床控制系统的分析

数控设备的核心是计算机数控装置CNC，开放体系结构的数控系统供给用户较大的选择性和灵活性。用户可利用开放的CNC内核，开发所需的功能。可编程控制器PLC是数控系统的重要环节，其主要功能是根据输人的信息进行逻辑运算，完成输人/输出控制功能，具有扩展接口和智能I/O模板的PLC支持测量功能的扩展。

2数控测量系统的设计方案研究

普通数控设备上很少配有专用的传感器测量头(以下简称测头)，测头性能的好坏，决定着测量方式的难易和测量精度的高低，是实现数控测量的关键部件。要实现数控测量，就需要具有反馈性能的测头，测头须搜索前进。数控测量是在计算机控制下，测头按照预先

编制的测量步骤和方式顺序地进行坐标测量，记录测量数据并按要求输出测量结果，其技术实现过程包括数据采集和数据处理。

测量系统的方案设计直接影响测量的精度、效率和稳定性。研究思路是以数控加工中心为基本硬件选配一种合适的测头，测到工件表面几何形状的三维坐标数据，并存储该数据，这样就得到了测量结果。测量结束后，数据再输人到CAD系统进行数学建模。

3位置传感器(触发式测头)的测量系统

3.1测头系统与加工中心的连接设计

实验中以某产品MP12测头体与加工中心的连接设计为研究对象。测头与主轴的机械连接较为简单，通过标准的锥柄可将测头安装在机床主轴上，但应注意测头轴线与主轴轴线的对中性。通过调节安装可达到测量要求，本文仅就通信接口的设计作详细介绍。

加工中心测量系统的结构设计方案如图1所示.测头系统与加工中心的接口主要包括:信号传输部分与控制器接口之间的连接、控制器接口与加工中心数控系统之间的连接、信号接收器OMM与接口单元MI12的

连接、MI12与可编程控制器PLC之间的连接。

在MI12的I/O端口中，1--5端口供OMM的I/0使用，16(+)和17（—）为MI12电源供给端，21 (+) ,22（—）为测头启动机床的使能端。OMM与MI12共用电源，OMM接收到的测头信号传输给MI12，信号经MI12处理后，由固态继电器的触点12& 13 ,10& 11 ,23&24 ,14&15端口输出给机床的可编程控制器。MI12接口单元与OM M及加工中心数控系统的接口如图2所示。

3.2测头系统与加工中心间的通信

MI12接口电路的工作电压为24V，由机床或专用电源提供。OMM通过MI12获得10V的电压正常工作。测头进行检测时与工件接触，产生的触发信号由OMP发射，OMM接收并通过MI12的1,2端口输入MI12 , MI12接口电路对信号进行消抖、整形处理及电平转换，消除测头与工件接触时产生的抖动，并将信号转换为24VTTL电平形式，以符合加工中心数控系统的输人要求，最后输入加工中心的PLC。

考虑到加工中心实现数控测量，测头必须搜索前进，对已知产品进行测量，数控测量系统驱动测头到已知待测点附近，剩下的工作由测头测量、反馈及数控程序控制完成。对未知模型，数控系统所起的作用仅仅是控制测头沿某个平面、某条空间曲线运动，实质上只控制两轴的运动.另一轴的运动则完全由测头反馈控制。可见测头系统最关键的一个功能是生成程序中断指令困，在测头接触工件后，测头系统向加工中心发出外部中断请求，这一外部中断由测头触发信号提供。当加工中心接收到这种类型的中断时，当前执行的程序段被中断，继而执行中断程序。在程序段被中止的各坐标轴的坐标可从系统变量$AA_ IM[axis]或$AA_ IW[axis]中读取。其中，axis可为X ,Y或Z。

例如: N10 MEAS=1 G1 F1000x100 Y730 Z40

测头是否触发的标志取决于变量$AC_MEA[N]值，1表示没有触发;0表示触发。N表示测头编号(加工中心可装配几个不同的测头)。中断时间要设置合适，以保证读出正确的坐标值。中断时间的设定，可通过机床控制面板在设置数据(SETTING DATA)中设置。

触发式测头就是以反馈方式与数控系统进行通信的。即当测头接触到工件后，发出的触发信号输入给PLC,PLC检测到该信号电平的跳变后产生外部中断，使机床停止进给并记录此点的三维坐标值，接着转人下一程序段的运行，进行下一个点的测量，直至程序结

束，测量完成。

4结束语

旨在研究通用的数控机床测量系统，实现类似于三维坐标测量机的测量功能，以求能将此方法广泛应用于实际之中。本研究具有较大的现实意义，能给数控机床的拥有者带来很大的经济效益，对数控机床的应用和发展也起到巨大的推动作用。

（《机械制造》 2011-4）