馮一凡，孟祥印,2，翟守才，周亮君

（1.西南交通大學 機械工程學院，成都 610031；2.軌道交通運維技術與裝備四川省重點實驗室，成都 610031）

0 引言

PMAC作為世界上最靈活和強大的運動控制器之一，具有開放性好、聯(lián)動調(diào)節(jié)能力強、控制精度高、動態(tài)響應快等優(yōu)點，被用在多軸機床等諸多領域。PMAC可以處理機床控制所需要的任何任務，每秒數(shù)千次切換在不同的任務之間。且由于其開放性明顯優(yōu)于德國SIMENS8系列和日本的FANUC6MB等數(shù)控系統(tǒng)，所以在多軸機床的自主研發(fā)中是被首選的強大運動控制器。

目前，在復雜高精度刀具加工工藝中，五軸聯(lián)動數(shù)控磨床是唯一高效的方法[1]。隨著制造技術發(fā)展以及降低成本、節(jié)省生產(chǎn)時間，測頭為主要測量儀器的測量系統(tǒng)越來越多在機床中使用。

本次課題搭建的基于PMAC五軸數(shù)控磨床以探針為測量工具，根基于PMAC獨特的開放性及快速響應性，開發(fā)出自動化探針測量系統(tǒng)。通過對工件自動找正位置、測量工件尺寸、檢測加工后工件質(zhì)量等一系列自動化測量方式，提高機床的可利用時間，大大提高機床單擊的生產(chǎn)加工效率[2]。

1 基于PMAC五軸磨床探針應用系統(tǒng)

此課題搭建的五軸工具磨床數(shù)控系統(tǒng)是采用“IPC+PMAC運動控制卡”上、下位機的結(jié)構(gòu)配置的開放式數(shù)控系統(tǒng)[3]。結(jié)合磨床的機械結(jié)構(gòu)特點以及參數(shù)要求，數(shù)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示。

五軸磨床數(shù)控系統(tǒng)是一個高精度的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，反饋信號通過光柵尺獲取。光柵尺動態(tài)性能好，測量各工作臺位置時，無需借助任何中間機械傳動元件，它可以檢測出機械傳遞誤差并在控制回路中給予修正。

通常情況下磨床加工完成后，需要拆卸工件通過三坐標測量儀或其它測量工具進行單獨測量，確定其合格后方可進行下一道工序。其缺點也明顯，會浪費較多的時間，最重要的是拆卸后再次安裝會造成安裝誤差等一系列不可控的隨機誤差[4]。

圖1 基于PMAC五軸數(shù)控磨床系統(tǒng)硬件

為提高五軸工具磨床測量系統(tǒng)的自動化程度及測量精準度，基于PMAC的五軸數(shù)控磨床搭配了在線測頭系統(tǒng)。如圖2所示?；赑MAC控制卡的開放式控制平臺，編寫G31宏程序作為探針啟動程序，并搭配相應PLC構(gòu)成探針測量內(nèi)部程序。加工前可測量工件原始尺寸，加工后也可測量相關加工參數(shù)，確定是否合格，避免拆卸，消除由于拆卸安裝工件造成誤差，簡化測量流程，提高磨床加工效率及測量精準度[5]。

圖2 探針測量系統(tǒng)實物圖

2 探針測量原理及應用

2.1 探針結(jié)構(gòu)及測量原理

本系統(tǒng)的測量系統(tǒng)的硬件探針為先鋒的TP300型電纜通訊觸發(fā)式三維測頭。此測頭的組成部分包括：測針一只（可以是紅寶石也可以是金屬）、φ16mm直柄、通訊電纜LA04-06、配套工具，如圖3所示。測頭的技術參數(shù)如表1所示。

圖3 探針組成圖

探針測頭被觸發(fā)后，探針自帶Led紅燈亮起，表示被觸碰，并通過通訊線纜發(fā)送信號給PMAC控制器，作為運動程序中的觸發(fā)信號進行相應的邏輯操作。PMAC控制器帶有ACC-11E板卡作為IO信號板，可以接收和發(fā)送開關量信號。探針與PMAC控制器接線圖如圖4所示。

表1 測頭參數(shù)

圖4 探針測量系統(tǒng)接線圖

2.2 探針程序邏輯設計

基于參數(shù)化測量的思想，根據(jù)被加工件立銑刀設計參數(shù)、機床參數(shù)和測頭參數(shù)自動生成測量程序，通過探頭與立銑刀的接觸，在線測量立銑刀的主要幾何參數(shù)，包括加工前的參數(shù)測量和加工完成后的參數(shù)測量。加工前的測量參數(shù)用于生產(chǎn)加工銑刀的數(shù)控程序，加工完成后的參數(shù)測量，用于對比實際加工結(jié)果與設計參數(shù)，檢測加工品質(zhì)[6]。

在PMAC控制器中，在運動程序遇到帶一個值的字母G時，它把命令作為是一個CALL（調(diào)用）運動程序10N0，其中N是G后的值的百位數(shù)的數(shù)字。無百位的值（數(shù)學術語為取模100）控制的是跳轉(zhuǎn)到程序10N0的哪個行標簽。這個值乘以1000來指定行標簽的數(shù)值。當遇到一個Return語句，它會跳回到調(diào)用程序。例如，G17將導致直接跳轉(zhuǎn)至PROG1000的N17000；G117將導致程序直接跳轉(zhuǎn)到PROG1010的N17000；G973.1會導致跳至PROG1090的N73100。

PMAC中的G代碼，除了諸如G01、G02等常見標準G代碼有直接命令可以實現(xiàn)外，其余均需要在G代碼對應的運動程序中自行編寫[7]。

在五軸數(shù)控磨床中通過G31啟動探針測試的功能。需要測量的內(nèi)容包括：夾持外露長度、A軸分度位置、螺旋角等。以測量夾持外露長度為例，測量流程如圖5所示。

圖5 探針自動化測量系統(tǒng)流程圖

運動程序部分如下：

通過上述流程圖以及運動程序可知，G31的作用為觸發(fā)探針功能，并以直線進給運動方式向目標點運動，在探針被觸發(fā)時，程序立即停止，并記錄各軸坐標值用以計算。跳轉(zhuǎn)回原程序后隨即關閉探針功能，跳回至原運動程序G31代碼的下一行繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)程序[8]。G31的功能邏輯圖如圖6所示。

圖6 下位機探針功能G31流程圖

G31代碼為：

PLC 8程序部分代碼如下：

2.3 探針預行程補償

由于在探針觸發(fā)后到PLC指令發(fā)出程序停止命令，再至電機減速停止，都需要反應時間，導致X軸會繼續(xù)移動，從而測量的不準確。需要測試這個時間內(nèi)的X軸移動的距離，并作為補償添加至運動程序中[9]。

在測量探針預行程實驗中，采用萬用表通斷法測試。繼續(xù)以測量工件刀具夾持長度為例，測試方法如下：在數(shù)控磨床中，使用手動模式將探針靠近被測工件。將探針測頭更換為金屬材質(zhì)，萬用表撥至通斷模式，紅黑兩支萬用表表筆分別搭在工件和探針測頭上。使用數(shù)控磨床手輪模式，將X軸緩慢靠近被測工件，直到萬用表蜂鳴器響起，X軸停止移動，并記錄此時X軸坐標。再通過2.2所述自動化測量方法測試夾持長度，并記錄X軸坐標。將其差值即為補償值并在程序計算夾持，從而提高測量精度。

3 測量實驗及結(jié)果

通過2.2的流程及程序?qū)崿F(xiàn)自動化測量工件夾持長度的測量，在PID調(diào)試及定位精度補償良好的的情況下，通過不同速度做多次探針觸碰測量實驗，記錄每次觸發(fā)時X軸坐標。并通過2.3論述的萬用表通斷法，在手輪模式下極慢的速度移動X軸，記錄X軸的坐標值為基準值，試驗得出此時X軸坐標值為-105.572mm。

基準值與自動化測量程序得到的X坐標值之差即為預行程補償值。

結(jié)果如表2所示。

表2 不同速度下多次測量的X軸坐標對比

通過實驗表明，觸發(fā)測量時的進給速度越快，X軸坐標值絕對值越大，是由于電機慣性及系統(tǒng)響應有關。X軸從零點出發(fā)向負方向運動，在探針觸發(fā)后到PLC指令發(fā)出程序停止命令，再至電機減速停止，都需要反應時間，導致X軸會繼續(xù)向負方向移動。

由表2可得，速度較慢情況下，測量數(shù)據(jù)方差小，自動化測量系統(tǒng)穩(wěn)定、準確。

通過2.3論述的萬用表通斷預行程補償法，相比于F100與F200，F(xiàn)50的速度下補償值最小且穩(wěn)定性更好。即采用F50作為最終的進給測量速度。

4 結(jié)語

以刀柄夾持長度測量實驗為例，實現(xiàn)基于PMAC的五軸數(shù)控機床的探針自動化測量功能，排除人為操作誤差，大大縮短用于測量的輔助時間，提高生產(chǎn)效率。減少了空間的裝夾、搬運次數(shù)，防止變形與磕碰[10]。

并通過對比不同速度下測量值，確定了最佳進給速度，確保其測量穩(wěn)定性。通過萬用表通斷法較為準確地測量出探針預行程補償值，保證其精確性。綜合實驗結(jié)果，自動化測量系統(tǒng)達到了預先目標，在保證加工質(zhì)量的同時，提高生產(chǎn)效率，延長機床使用精度，實現(xiàn)了在線精準快速地工件測量。