數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測方案的分析比較

韓軍，常瑞麗

(1.內(nèi)蒙古科技大學機械工程學院，內(nèi)蒙古包頭014010;2.內(nèi)蒙古科技大學信息工程學院，內(nèi)蒙古包頭014010)

伺服進給系統(tǒng)作為數(shù)控機床最復(fù)雜、最重要的功能部件，在很大程度上決定了機床的性能，然而它也是數(shù)控機床故障發(fā)生率最高的部件，常見的故障主要有偏心、間隙、潤滑不良、點蝕、磨損、不對中、爬行和伺服增益不匹配等。因此，機床伺服進給系統(tǒng)的典型故障溯源也是許多工程技術(shù)人員關(guān)心的焦點問題。

1 機床伺服進給系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

機床伺服進給系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電機、減速器、聯(lián)軸器、滾珠絲杠、導(dǎo)軌和工作臺組成。滾珠絲杠使工作臺實現(xiàn)由轉(zhuǎn)動到直線運動的轉(zhuǎn)變，滑動或滾動導(dǎo)軌支撐工作臺，絲杠的軸承承受工作臺傳來的所有軸向力，伺服電機和滾珠絲杠之間裝有減速器以提高電動機的驅(qū)動能力。伺服進給系統(tǒng)的狀態(tài)信息可以通過外置傳感器、內(nèi)置傳感器和伺服驅(qū)動器監(jiān)測端口3 種方案獲得。

圖1 機床伺服進給系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

2 伺服進給系統(tǒng)狀態(tài)檢測方案的分析比較

2.1 外置傳感器信號

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，各種用途的傳感器不斷涌現(xiàn)，幾乎涵蓋了所有物理量的檢測，這些傳感器可以幫助工程技術(shù)人員直接了解機床的運行狀態(tài)。而且，許多廠商開發(fā)出了各種專用于機床測試的設(shè)備，包括傳感器和軟硬件，技術(shù)人員只要按照一定的規(guī)范使用就可以得到想要的數(shù)據(jù)信息。例如利用圖2所示激光干涉儀可以測量機床的安裝誤差，利用球桿儀可以測試機床的動態(tài)特性等。

圖2 激光干涉儀

但是，在工業(yè)現(xiàn)場使用這些傳感器設(shè)備的過程中，也經(jīng)常遇到一些無法解決的問題，比如受幾何尺寸的限制傳感器可能無法安裝、量程可能無法滿足測試要求等。同時，工程中傳感器的安裝、調(diào)試也是一個耗時耗力的工作，并且有些傳感器的價格昂貴，對于機床使用者來說利用外置傳感器獲取機床狀態(tài)信息有時并不是一個理想的解決方案。

2.2 內(nèi)置傳感器信號

為了解決外置傳感器在使用上的不足，提高測試效率，可以利用機床內(nèi)部的傳感器信號(即內(nèi)置傳感器)進行狀態(tài)監(jiān)測。內(nèi)置傳感器信號主要指控制系統(tǒng)中的反饋信號，如導(dǎo)軌光柵尺信號、電機編碼器信號等。

與外置傳感器比較起來，內(nèi)置傳感器有許多優(yōu)點，例如由于內(nèi)置傳感器安裝在機床內(nèi)部，減少了系統(tǒng)的安裝調(diào)試時間;同時，由于不需要購置傳感器，其成本也大大降低;并且可以在機床正常運行狀態(tài)下進行數(shù)據(jù)采集。圖3 為運用機床內(nèi)置傳感器進行信號采集的實例，通過三通接口將伺服進給系統(tǒng)的反饋信號送入數(shù)控系統(tǒng)的同時也送給數(shù)據(jù)采集卡，不同種類的信號選擇不同的數(shù)據(jù)采集卡。圖4 為NUM 系統(tǒng)MDLU3 驅(qū)動器與IK220 計數(shù)卡的三通連接圖。

然而由于內(nèi)置傳感器信號都是直接送入數(shù)控系統(tǒng)中的封閉信號，所以有時很難直接得到這些數(shù)據(jù)。尤其是商用數(shù)控系統(tǒng)，比如Siemens、Funac、Num 等，信息就相對較難獲取，需要一整套的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括數(shù)據(jù)采集卡和工業(yè)計算機。另外，內(nèi)置傳感器還會引入機床安裝誤差，影響測試結(jié)果，從而影響系統(tǒng)的可靠性。同時，內(nèi)置傳感器可得到的信號主要是位置信號，而有些故障在位置上并不能體現(xiàn)出來，因此無法識別。

圖3 機床內(nèi)置傳感器信號采集系統(tǒng)

圖4 NUM MDLU3 驅(qū)動器與IK220 三通接線圖

2.3 伺服驅(qū)動器監(jiān)測端口信號

隨著制造廠商和型號的不同，伺服驅(qū)動器也有所不同，但大都包含監(jiān)測端口，比如西門子611U 系列驅(qū)動器、安川∑－Ⅱ系列驅(qū)動器、施耐德MDLU3 系列驅(qū)動器等，都可以通過設(shè)置輸出不同的信號，包括電機驅(qū)動電流、扭矩、轉(zhuǎn)速和位置等信號，驅(qū)動器將這些信號轉(zhuǎn)化為模擬信號后通過監(jiān)測端口輸出，用以監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

下面以施耐德NUM 數(shù)控系統(tǒng)中的MDLU3 驅(qū)動器監(jiān)測端口為例，說明如何通過伺服驅(qū)動器的監(jiān)測端口獲取系統(tǒng)狀態(tài)信息，MDLU3 監(jiān)測端口如圖5所示。首先需要設(shè)置驅(qū)動器的監(jiān)測端口輸出，設(shè)置步驟如下:

(1)設(shè)置驅(qū)動器V21 參數(shù)，確定驅(qū)動器監(jiān)測端口TP1 和TP2 輸出模擬量對應(yīng)的軸;

(2)設(shè)置驅(qū)動器V138 參數(shù)，使能監(jiān)測端口S9輸出。設(shè)置驅(qū)動器V130、V131 參數(shù)，確定TP1 和TP2 所輸出的模擬量對應(yīng)的監(jiān)測信號種類。大約可以確定400 個不同的狀態(tài)信號;

(3)設(shè)置V134、V135 參數(shù)，確定TP1 和TP2 增益，使輸出模擬量與實際參數(shù)相對應(yīng);

(4)設(shè)置好監(jiān)測端口的輸出后，就可以通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)采集到計算機內(nèi)，對機床進行狀態(tài)監(jiān)測。

圖5 MDLU3 驅(qū)動器監(jiān)測端口

監(jiān)測端口輸出的信號既包含了內(nèi)置傳感器可以獲得的信號，又包含了內(nèi)置傳感器無法獲取的信號。但是由于這些信號都是以模擬量的形式輸出的，則在采集過程中必然會引入噪聲，影響信號精度，因此使用時需要降噪濾波。

圖6 內(nèi)置傳感器與監(jiān)測端口信號對比

圖6 為同一次試驗中內(nèi)置傳感器與伺服驅(qū)動器監(jiān)測端口的數(shù)據(jù)對比，采用小波降噪方法濾波。小波降噪的原理就是將小波分解信號的高頻部分去除，然后再重構(gòu)信號，這樣原始信號中的高頻分量就沒有了，適用于濾除高頻噪聲。從圖6 可以看出，濾波前監(jiān)測端口的信號不平滑，對其求導(dǎo)后得到速度圖，噪聲淹沒了信號，而光柵編碼器的差值也噪聲很大。而濾波后的波形幾乎和內(nèi)置傳感器信號重合，尤其是求導(dǎo)后的速度信號，效果非常明顯，因此驅(qū)動器監(jiān)測端口信號也是機床狀態(tài)信號的重要來源。

3 結(jié)論

對伺服進給系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測信號的3 種獲取方案進行了分析比較，如表1所示。在通用性方面，由于外置傳感器不依賴于機床或系統(tǒng)，所以通用性最好;內(nèi)置傳感器對于總線式數(shù)控系統(tǒng)的信號目前還無法獲取;驅(qū)動器監(jiān)測端口則要依賴于具體信號。測試效率方面，由于外置傳感器包含了復(fù)雜的安裝和調(diào)試過程，效率較低。系統(tǒng)成本方面外置傳感器需要購置設(shè)備，成本相對較高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在線采集方面，外置傳感器有時無法實現(xiàn)，比如安裝了球桿儀就無法進行加工，而另外兩種方案則完全不影響機床的正常加工。數(shù)據(jù)可靠性方面，3 種采集方案都有一定的系統(tǒng)誤差存在，外置傳感器在數(shù)據(jù)采集過程中會引入噪聲，內(nèi)置傳感器會引入機床安裝誤差。監(jiān)測接口不但會引入安裝誤差，還會引入噪聲。因此，3 種方案各有利弊，用戶可根據(jù)實際情況選擇具體方案。

表1 3 種信號獲取方案比較

【1】MARTIN K F.A Review by Discussion of Condition Monitoring and Fault-Diagnosis in Machine-Tools［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，1994，34(4):527－551.

【2】CHOA Dong Woo，LEE Song Jo，CHU Chong Nam.The state of Machining Process Monitoring Research in Korea［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，39(11):1697－1715.

【3】王雙利，王太勇，王正英，等.集成狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的設(shè)備管理系統(tǒng)［J］.計算機工程與應(yīng)用，2007，43(12):231－234.

【4】楊賀來.數(shù)控機床［M］.北京:清華大學出版社、北京交通大學出版社，2009.