基于無傳感器技術(shù)伺服進給系統(tǒng)精度檢測方法研究

陳 新 丁求啟 陶 敏

(①常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程系，江蘇常州 213164;②中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰 214431)

數(shù)控機床一般工作在大載荷、高速度、高加速度等復(fù)雜工況下，振動、沖擊、變形等直接作用于數(shù)控機床的進給系統(tǒng)，對導(dǎo)軌、絲杠、軸承、聯(lián)軸器、蝸輪、蝸桿等產(chǎn)生不良影響，造成數(shù)控機床加工精度降低，甚至造成意外停機，一旦發(fā)生上述故障，其造成的經(jīng)濟損失是難以估量的［1］。因此對數(shù)控機床運動精度、扭矩和潤滑狀態(tài)等進行適時檢測，提取有用的信號特征，建立誤差模型，對于揭示數(shù)控機床機能退化和故障探源以及提高數(shù)控機床運行效率，保證零件加工質(zhì)量都有著至關(guān)重要的意義［2］?；诖?，本文提出了一種利用無傳感器測試技術(shù)對數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)進行快速精度檢測的方法，以評價機床伺服進給軸的運動狀態(tài)與特性。

1 無傳感器測試原理和技術(shù)

數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)是以位置(或角度)為控制對象的自動控制系統(tǒng)［3］，它接受CNC裝置插補計算產(chǎn)生的進給脈沖信號，經(jīng)變換和功率放大后驅(qū)動各坐標(biāo)軸帶動工作臺和刀具運動，通過若干坐標(biāo)軸的聯(lián)動，使刀具相對工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機械運動，從而實現(xiàn)各種輪廓形狀的加工。雖然機床的設(shè)計有多種，但其進給傳動裝置的結(jié)構(gòu)大多相同［4］(圖1)。通常情況下，滾珠絲杠用于實現(xiàn)伺服電動機旋轉(zhuǎn)運動到工作臺線性運動的轉(zhuǎn)變。絲杠的軸承承受工作臺傳來的軸向力。伺服電動機和滾珠絲杠直接通過聯(lián)軸器來進行聯(lián)接。伺服進給系統(tǒng)有位置信號和電流信號的測試元件，其控制系統(tǒng)內(nèi)部還存在多種控制與反饋信息，因此，數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)本身就是一個豐富的信息源。利用機床伺服進給系統(tǒng)內(nèi)部存在的位置、電流測試元件和指令控制等機床本體信息，通過研究相應(yīng)的信息獲取手段，測試和數(shù)據(jù)分析方法，可以實現(xiàn)對數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和性能評估診斷。相對于安裝外置傳感器的傳統(tǒng)方法，這種利用機床伺服進給系統(tǒng)本身信息進行測試的方法為無傳感器技術(shù)［5］。對于開放式數(shù)控系統(tǒng)而言，由于其體系結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)接口的開放性，可通過開發(fā)通用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對光柵信號、編碼器信號以及電流信號進行直接采集，從而獲取機床運行的狀態(tài)。

2 無傳感器檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

針對檢測的機床信號主要有光柵信號、電動機編碼器信號、伺服電動機扭矩、電流等信號，根據(jù)其形式可分為方波脈沖信號、正弦波脈沖信號和模擬信號3大類。本系統(tǒng)針對這3種信號采用3種不同的數(shù)據(jù)采集板卡與計算機一塊構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件平臺如圖2所示，整個系統(tǒng)的量程、通道數(shù)、采樣間隔都是可編程控制的。

2.1 方波計數(shù)卡

方波信號計數(shù)器采集板卡采用PCI－1784四軸計數(shù)器卡。該卡采樣頻率最高可達8 MHz，擁有四級數(shù)字濾波器，可防止光柵尺或編碼器因機床振動而產(chǎn)生信號跳變導(dǎo)致的誤計數(shù);可同時檢測兩軸的光柵尺和編碼器共4個信號源，為以后信號對比打下數(shù)據(jù)基礎(chǔ);可采集增量式編碼器和光柵信號;擁有一個8位定時器，可向外輸出精確定時脈沖;支持4通道32位加減同步計數(shù);支持A/B相碼盤信號輸入;數(shù)據(jù)鎖存時間高達0.02 s。

2.2 正弦波計數(shù)卡

對于輸出形式為正弦信號的光柵尺和編碼器的信號采集，由于目前數(shù)控機床廠商采用較廣泛的是德國海德漢(HEIDENHAIN)公司生產(chǎn)的光柵尺和編碼器，為了使測試系統(tǒng)具有較廣泛的適用性，課題組選用了德國海德漢公司生產(chǎn)的專用的IK220 PCI計數(shù)采集卡來對正弦信號制式的光柵尺和編碼器信號進行采集。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換卡

對于振動傳感器和電流傳感器輸出的模擬信號的采集，為了能直接被計算機處理，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，本文選用PCI－1712L卡。該數(shù)據(jù)采集卡可以采用兩種不同的接線方式:16路單端輸入和8路差分輸入。由于板卡上有可編程增益器，共有9個可編程增益碼(0，1，2，3，4，16，17，18，19)，因此可以通過軟件編程的方式配置相應(yīng)的增益碼，完成不同量程、不同極性的設(shè)置，采集不同范圍的信號，以獲得更高的采集精度。

3 無傳感器檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

檢測系統(tǒng)軟件采用VC++6.0集成開發(fā)編譯環(huán)境，它是支持C++面向?qū)ο笳Z言的一個經(jīng)典開發(fā)環(huán)境。該系統(tǒng)是基于Windows多任務(wù)操作平臺的多種數(shù)據(jù)信號采集系統(tǒng)，各個子模塊可分別完成自己的功能，系統(tǒng)很好地解決了底層模塊和上層模塊之間的協(xié)調(diào)工作，充分發(fā)揮了Windows的優(yōu)點，運行穩(wěn)定。圖3表示了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總的軟件層次結(jié)構(gòu)圖。可以看出，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件運行過程中，上層應(yīng)用程序和底層驅(qū)動程序并不獨立，而是通過相互之間的通信函數(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)從板卡緩存或寄存器到計算機內(nèi)存的傳輸。在Windows XP下，因為操作系統(tǒng)將程序分為用戶態(tài)程序和核心態(tài)程序兩類，應(yīng)用程序不能直接訪問硬件，只能通過訪問作為操作系統(tǒng)一部分的設(shè)備驅(qū)動程序與硬件交換數(shù)據(jù)。板卡驅(qū)動程序成功安裝后，作為操作系統(tǒng)的信任部分，驅(qū)動程序提供了連接到計算機硬件的軟件接口。應(yīng)用程序是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的頂層控制工具，用戶通過應(yīng)用程序來操作數(shù)據(jù)采集卡，通過應(yīng)用程序提供的用戶界面，用戶可以執(zhí)行諸如保存系統(tǒng)設(shè)置，執(zhí)行用戶的相應(yīng)操作，保存所采集到的數(shù)據(jù)等操作。

本測試系統(tǒng)采用PC機為主控中心，操作系統(tǒng)為Windows XP，并安裝了Microsoft公司提供的SP3補丁程序組。軟件開發(fā)編譯環(huán)境是Microsoft Visual C++6.0，該編譯環(huán)境可以很好地控制 PCI1712L、PCI1784、IK220，利用MFC提供的基礎(chǔ)類庫和硬件板卡的驅(qū)動程序，可以高效率地開發(fā)可用的實驗專用軟件;同時Windows標(biāo)準(zhǔn)控件可以讓檢測系統(tǒng)軟件與操作系統(tǒng)界面完美地融為一體，更加符合用戶的使用習(xí)慣，方便用戶操作。

采集板卡的預(yù)定義函數(shù)封裝有兩種形式，即動態(tài)鏈接庫(dll)和靜態(tài)鏈接庫(lib)，出于對系統(tǒng)性能和資源消耗的優(yōu)化，軟件中我們采用導(dǎo)入動態(tài)鏈接庫的辦法。軟件基本框架是基于單文檔/視圖結(jié)構(gòu)的，避免了多文檔/視圖結(jié)構(gòu)開發(fā)的繁雜，其中數(shù)據(jù)采集界面如圖4所示。

4 無傳感器測試實驗

試驗研究對象是如圖5所示的高精度X－Y工作臺。該系統(tǒng)是一個全數(shù)字交流伺服開放式數(shù)控系統(tǒng)，帶有平臺的X軸安裝在Y軸上，從而構(gòu)成兩軸兩聯(lián)動數(shù)控工作臺，它是典型的高精度運動控制的對象。各坐標(biāo)軸的驅(qū)動是通過與滾珠絲杠直接相連的三菱三相交流永磁同步伺服電動機和放大器來實現(xiàn)的。滾珠絲杠的導(dǎo)程是5 mm，線數(shù)是單線的，工作臺是由滾動導(dǎo)軌支撐的。為了保持高剛度和無間隙連接，對滾珠絲杠和滾動導(dǎo)軌施加了合適的預(yù)載荷。伺服電動機尾部安裝盒內(nèi)的增量式編碼器被用于速度的反饋，編碼器分辨率是2 500 P/r。位置反饋信號則來自于安裝在工作臺上分辨率為250 P/mm的Fagor直線光柵，位置反饋值被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方波編碼器信號計數(shù)采集模塊所記錄，用來分析X－Y工作臺的運動精度。位置控制是采用工業(yè)控制計算機內(nèi)插的美國Delta公司的pmac運動控制卡來實現(xiàn)。

為了便于進行誤差分離，數(shù)控機床測試實驗分別在全閉環(huán)和半閉環(huán)控制條件下進行。當(dāng)在全閉環(huán)位置控制下進行測試時，無傳感器數(shù)據(jù)不僅包含許多重要的故障信息，這些故障可能是機械故障、電氣故障，也可能是機械與電氣的耦合故障［6］。若故障源是單一的，可借助先進的信號處理和特征提取方法進行故障溯源。但是若故障是電氣耦合故障，顯然很難進行故障分離與溯源。因此可通過設(shè)置數(shù)控機床相關(guān)參數(shù)，使機床工作在半閉環(huán)位置控制下，此時光柵尺可作為獨立的第三方檢測工具進行測量。測試結(jié)果大大降低了機械與電氣耦合帶來的影響。當(dāng)在半閉環(huán)位置控制下進行測試時，作為位置檢測的工作臺光柵尺信號并不被引入數(shù)控系統(tǒng)與指令位置進行比較，因此減小了工作臺的機械誤差被機床電氣環(huán)節(jié)放大的可能性。

4.1 X－Y數(shù)控工作臺單軸直線實驗結(jié)果與分析

從圖6a可以看出隨著X軸位移每隔5 mm就有一個規(guī)律的周期性振動，這正好和數(shù)控工作臺滾珠絲杠導(dǎo)程是一致的，可以判斷是聯(lián)軸器安裝存在偏心，導(dǎo)致伺服電動機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)一圈就有一個周期性振動。關(guān)于圖中XEAD(光柵尺與編碼器差值)隨著位移的增大而上升，且呈直線上升的趨勢，經(jīng)分析研究，是由于光柵尺安裝時與滾珠絲杠不在水平線上，存在一定的角度誤差?？梢钥闯鲈谖灰茷?00 mm時，XEAD的值為107 μm，由此可計算的光柵尺與絲杠之間夾角為2.65°。從圖6b中可以看出在閉環(huán)控制下，仍然存在聯(lián)軸器安裝偏心造成的周期性振動，光柵尺與絲桿之間存在的安裝角度誤差造成的XEAD差值并不能由閉環(huán)補償消除。同時，由于引入了機械部分參與控制，工作臺潤滑狀況惡劣，絲杠形成磨損后，導(dǎo)致工作臺運動時機械磕碰比較多，所以反映到信號圖譜上，毛刺就比較多。

4.2 X－Y數(shù)控工作臺兩軸聯(lián)動圓實驗結(jié)果與分析

從圖7可看出圓度測試與理論推算嚴(yán)格符合，在作圓軌跡運動時，順時針時半徑誤差將在一三象限角平分線處取極值，實際軌跡呈現(xiàn)出經(jīng)典的斜8字形，實測圖形與理論推算完全符合。從圖中還可以明顯看出:在過象限處有明顯的“尖刺”存在，這是由于滾珠絲杠反向運動時存在間隙所造成的;半閉環(huán)和全閉環(huán)條件下，振動現(xiàn)象還是十分明顯，這是由于絲杠和電動機由聯(lián)軸器連接時不對中造成的偏心引起的振動。

5 結(jié)語

本文提出了一種無傳感器測試技術(shù)可以對數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)進行快速精度檢測，評價機床伺服進給軸的運動狀態(tài)與特性。利用工業(yè)計算機PCI接口插槽內(nèi)插多種數(shù)據(jù)采集板卡的硬件結(jié)構(gòu)，建立了一套機床信息采集測試系統(tǒng)。通過實驗給出了X/Y兩軸工作臺XEAD/位移曲線、速度曲線和圓周誤差譜，并分析了工作臺振動原因和XEAD直線上升的原因，發(fā)現(xiàn)了X/Y兩軸數(shù)控工作臺的X軸光柵尺安裝時和滾珠絲杠存在2.65°的角度誤差。

［1］熊軍.數(shù)控機床原理與結(jié)構(gòu)［M］.北京:人民郵電出版社，2007:23－29.

［2］洪邁生，蘇恒.數(shù)控機床運動誤差檢測技術(shù)［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2002(1):18－23.

［3］徐衡.數(shù)控機床故障診斷［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005:32－36.

［4］MIN －SEOK K.A systematic approach to design high－performance feed drive systems［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2005(9):1421－1435.

［5］VOLKER P.Sensorless machine tool condition monitoring based on open NCS［C］.Proceedings of the 2001 IEEE International Conference.Korea，2001:125－129.

［6］李誠人.數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀與展望［J］.現(xiàn)代制造工程，2008(4):129－134.