基于PMAC控制器自動(dòng)化探針測(cè)量研究

馮一凡，孟祥印,2，翟守才，周亮君

（1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031；2.軌道交通運(yùn)維技術(shù)與裝備四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

0 引言

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

目前，在復(fù)雜高精度刀具加工工藝中，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨床是唯一高效的方法[1]。隨著制造技術(shù)發(fā)展以及降低成本、節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間，測(cè)頭為主要測(cè)量?jī)x器的測(cè)量系統(tǒng)越來(lái)越多在機(jī)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(cè)量工具，根基于PMAC獨(dú)特的開(kāi)放性及快速響應(yīng)性，開(kāi)發(fā)出自動(dòng)化探針測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)工件自動(dòng)找正位置、測(cè)量工件尺寸、檢測(cè)加工后工件質(zhì)量等一系列自動(dòng)化測(cè)量方式，提高機(jī)床的可利用時(shí)間，大大提高機(jī)床單擊的生產(chǎn)加工效率[2]。

1 基于PMAC五軸磨床探針應(yīng)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(yùn)動(dòng)控制卡”上、下位機(jī)的結(jié)構(gòu)配置的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)[3]。結(jié)合磨床的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(gè)高精度的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，反饋信號(hào)通過(guò)光柵尺獲取。光柵尺動(dòng)態(tài)性能好，測(cè)量各工作臺(tái)位置時(shí)，無(wú)需借助任何中間機(jī)械傳動(dòng)元件，它可以檢測(cè)出機(jī)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(guò)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x或其它測(cè)量工具進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量，確定其合格后方可進(jìn)行下一道工序。其缺點(diǎn)也明顯，會(huì)浪費(fèi)較多的時(shí)間，最重要的是拆卸后再次安裝會(huì)造成安裝誤差等一系列不可控的隨機(jī)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(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化程度及測(cè)量精準(zhǔn)度，基于PMAC的五軸數(shù)控磨床搭配了在線測(cè)頭系統(tǒng)。如圖2所示。基于PMAC控制卡的開(kāi)放式控制平臺(tái)，編寫G31宏程序作為探針啟動(dòng)程序，并搭配相應(yīng)PLC構(gòu)成探針測(cè)量?jī)?nèi)部程序。加工前可測(cè)量工件原始尺寸，加工后也可測(cè)量相關(guān)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(jiǎn)化測(cè)量流程，提高磨床加工效率及測(cè)量精準(zhǔn)度[5]。

圖2 探針測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物圖

2 探針測(cè)量原理及應(yīng)用

2.1 探針結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理

本系統(tǒng)的測(cè)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(cè)頭。此測(cè)頭的組成部分包括：測(cè)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(cè)頭的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖3 探針組成圖

探針測(cè)頭被觸發(fā)后，探針自帶Led紅燈亮起，表示被觸碰，并通過(guò)通訊線纜發(fā)送信號(hào)給PMAC控制器，作為運(yùn)動(dòng)程序中的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的邏輯操作。PMAC控制器帶有ACC-11E板卡作為IO信號(hào)板，可以接收和發(fā)送開(kāi)關(guān)量信號(hào)。探針與PMAC控制器接線圖如圖4所示。

表1 測(cè)頭參數(shù)

圖4 探針測(cè)量系統(tǒng)接線圖

2.2 探針程序邏輯設(shè)計(jì)

基于參數(shù)化測(cè)量的思想，根據(jù)被加工件立銑刀設(shè)計(jì)參數(shù)、機(jī)床參數(shù)和測(cè)頭參數(shù)自動(dòng)生成測(cè)量程序，通過(guò)探頭與立銑刀的接觸，在線測(cè)量立銑刀的主要幾何參數(shù)，包括加工前的參數(shù)測(cè)量和加工完成后的參數(shù)測(cè)量。加工前的測(cè)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(cè)量，用于對(duì)比實(shí)際加工結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)，檢測(cè)加工品質(zhì)[6]。

在PMAC控制器中，在運(yùn)動(dòng)程序遇到帶一個(gè)值的字母G時(shí)，它把命令作為是一個(gè)CALL（調(diào)用）運(yùn)動(dòng)程序10N0，其中N是G后的值的百位數(shù)的數(shù)字。無(wú)百位的值（數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)為取模100）控制的是跳轉(zhuǎn)到程序10N0的哪個(gè)行標(biāo)簽。這個(gè)值乘以1000來(lái)指定行標(biāo)簽的數(shù)值。當(dāng)遇到一個(gè)Return語(yǔ)句，它會(huì)跳回到調(diào)用程序。例如，G17將導(dǎo)致直接跳轉(zhuǎn)至PROG1000的N17000；G117將導(dǎo)致程序直接跳轉(zhuǎn)到PROG1010的N17000；G973.1會(huì)導(dǎo)致跳至PROG1090的N73100。

PMAC中的G代碼，除了諸如G01、G02等常見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)G代碼有直接命令可以實(shí)現(xiàn)外，其余均需要在G代碼對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)程序中自行編寫[7]。

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

圖5 探針自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)流程圖

運(yùn)動(dòng)程序部分如下：

通過(guò)上述流程圖以及運(yùn)動(dòng)程序可知，G31的作用為觸發(fā)探針功能，并以直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方式向目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，在探針被觸發(fā)時(shí)，程序立即停止，并記錄各軸坐標(biāo)值用以計(jì)算。跳轉(zhuǎn)回原程序后隨即關(guān)閉探針功能，跳回至原運(yùn)動(dòng)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(jī)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(yù)行程補(bǔ)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(jī)減速停止，都需要反應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致X軸會(huì)繼續(xù)移動(dòng)，從而測(cè)量的不準(zhǔn)確。需要測(cè)試這個(gè)時(shí)間內(nèi)的X軸移動(dòng)的距離，并作為補(bǔ)償添加至運(yùn)動(dòng)程序中[9]。

在測(cè)量探針預(yù)行程實(shí)驗(yàn)中，采用萬(wàn)用表通斷法測(cè)試。繼續(xù)以測(cè)量工件刀具夾持長(zhǎng)度為例，測(cè)試方法如下：在數(shù)控磨床中，使用手動(dòng)模式將探針靠近被測(cè)工件。將探針測(cè)頭更換為金屬材質(zhì)，萬(wàn)用表?yè)苤镣〝嗄Ｊ?，紅黑兩支萬(wàn)用表表筆分別搭在工件和探針測(cè)頭上。使用數(shù)控磨床手輪模式，將X軸緩慢靠近被測(cè)工件，直到萬(wàn)用表蜂鳴器響起，X軸停止移動(dòng)，并記錄此時(shí)X軸坐標(biāo)。再通過(guò)2.2所述自動(dòng)化測(cè)量方法測(cè)試夾持長(zhǎng)度，并記錄X軸坐標(biāo)。將其差值即為補(bǔ)償值并在程序計(jì)算夾持，從而提高測(cè)量精度。

3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

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

基準(zhǔn)值與自動(dòng)化測(cè)量程序得到的X坐標(biāo)值之差即為預(yù)行程補(bǔ)償值。

結(jié)果如表2所示。

表2 不同速度下多次測(cè)量的X軸坐標(biāo)對(duì)比

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，觸發(fā)測(cè)量時(shí)的進(jìn)給速度越快，X軸坐標(biāo)值絕對(duì)值越大，是由于電機(jī)慣性及系統(tǒng)響應(yīng)有關(guān)。X軸從零點(diǎn)出發(fā)向負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，在探針觸發(fā)后到PLC指令發(fā)出程序停止命令，再至電機(jī)減速停止，都需要反應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致X軸會(huì)繼續(xù)向負(fù)方向移動(dòng)。

由表2可得，速度較慢情況下，測(cè)量數(shù)據(jù)方差小，自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

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

4 結(jié)語(yǔ)

以刀柄夾持長(zhǎng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)現(xiàn)基于PMAC的五軸數(shù)控機(jī)床的探針自動(dòng)化測(cè)量功能，排除人為操作誤差，大大縮短用于測(cè)量的輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。減少了空間的裝夾、搬運(yùn)次數(shù)，防止變形與磕碰[10]。

并通過(guò)對(duì)比不同速度下測(cè)量值，確定了最佳進(jìn)給速度，確保其測(cè)量穩(wěn)定性。通過(guò)萬(wàn)用表通斷法較為準(zhǔn)確地測(cè)量出探針預(yù)行程補(bǔ)償值，保證其精確性。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)先目標(biāo)，在保證加工質(zhì)量的同時(shí)，提高生產(chǎn)效率，延長(zhǎng)機(jī)床使用精度，實(shí)現(xiàn)了在線精準(zhǔn)快速地工件測(cè)量。