基于OPC數(shù)據(jù)的數(shù)控機床精度狀態(tài)實時測評方法*

杜柳青，余永維，袁冬梅

(重慶理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，重慶 400054)

基于OPC數(shù)據(jù)的數(shù)控機床精度狀態(tài)實時測評方法*

杜柳青，余永維，袁冬梅

(重慶理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，重慶 400054)

為實現(xiàn)主動預(yù)防或主動維修，保證加工質(zhì)量，提出一種基于OPC和圓運動信息的數(shù)控機床誤差實時測評方法。建立基于圓信息的機床運動誤差分析模型，提出用實時圓信息數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)控機床精度狀態(tài)測評的方法；采用ePS等高端OEM電子檢測服務(wù)平臺思想，設(shè)計基于OPC的誤差變量實時采集策略，以獲得穩(wěn)定實時圓信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對數(shù)控機床精度狀態(tài)的準(zhǔn)確測評。實驗表明，該方法能實時提取圓運動數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確分析直線度、垂直度等數(shù)控機床精度，效果好，適用性強。

機床精度；OPC； 圓信息；誤差模型；運動誤差

0 引言

生產(chǎn)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)信息是制造過程最基本、最主要的信息。在影響機床加工精度的因素中，起支配作用的是運動精度，如果機床存在運動誤差，復(fù)映到加工形狀上，導(dǎo)致加工誤差增大。對數(shù)控機床實時精度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集以供精度測評，能做到主動預(yù)防或維修，保證加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率和企業(yè)效益。

采用專門儀器對數(shù)控機床精度進(jìn)行檢測是保證機床加工質(zhì)量的重要手段。對數(shù)控機床精度檢測的主要工具是球桿儀、激光干涉儀等測試儀器，價格昂貴且停機檢驗耗時長，操作上需要熟練技術(shù)人員，很難實現(xiàn)自動化和省工省力。而機床使用企業(yè)尤其中小企業(yè)普遍對檢測設(shè)備購置成本和停機損失敏感，如何在不影響正常生產(chǎn)的情況下獲得有效的機床精度保證或狀態(tài)預(yù)警，尋找替代技術(shù)和方法，是機床使用企業(yè)亟需解決的一個重要課題[1]。

對于數(shù)控機床數(shù)據(jù)采集，通常采取外置轉(zhuǎn)矩、加速度、位移、切削力等傳感器獲取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)[2]，但其成本高、安裝不便、需要較高數(shù)據(jù)傳輸帶寬等局限性使得對機床信息的實時采集較難。文獻(xiàn)[3]通過OEM軟件包如Fanuc數(shù)據(jù)開發(fā)庫文件，針對大型數(shù)控機床提取轉(zhuǎn)矩、位置、瞬時加速度等內(nèi)置傳感器信息，對機床進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)軸C恒速空載測試分析、直線軸潤滑特性測試、直線軸偏心力誤差特性測試，其數(shù)據(jù)獲取原理簡單，信噪比高；文獻(xiàn)[4]采用Siemens ePS高端電子監(jiān)測服務(wù)平臺進(jìn)行了機床恒速軸測試、圓度測試等機床特性測試和分析。文獻(xiàn)[2，4]的研究均能有效反映機床的實際狀態(tài)，但一般企業(yè)難以承受OEM軟件購置費用及其在線持續(xù)使用費用。文獻(xiàn)[5-6]通過對主軸箱體、導(dǎo)軌滾動塊、直線坐標(biāo)驅(qū)動等裝置加裝傳感器采集數(shù)控機床力、振動、溫度和噪聲信號，有效建立了機床的信息模型。文獻(xiàn)[7]設(shè)計的嵌入式Linux數(shù)控機床遠(yuǎn)程監(jiān)控可采集機床PLC發(fā)出的報警信息。文獻(xiàn)[8]通過DNC控制方式，并加裝底座、鋼板、激振器等采集了機床的一些故障信息。文獻(xiàn)[7-8]由于需對機床進(jìn)行拆裝并改變機床部分結(jié)構(gòu)，實用度不高且會影響機床現(xiàn)有結(jié)構(gòu)精度，或者只能采集來自PLC的邏輯信息，具有一定的局限性。

數(shù)控機床自身的檢測功能形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，即對機床內(nèi)部狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集有可能實現(xiàn)全自動化。本文研究了數(shù)控機床運動誤差測試原理，針對開放式數(shù)控系統(tǒng)，采用ePS等高端OEM軟件包思想，提出了不影響機床原有運行的情況下，深入進(jìn)給系統(tǒng)軟硬件的底層，基于OPC的機床精度信息采集策略。數(shù)據(jù)提取方法簡單可靠，提供了省時省力地對機床的運動精度進(jìn)行自動化監(jiān)控，為普通制造企業(yè)對機床提供精度判斷依據(jù)的快捷方法。

1 數(shù)控機床運動誤差分析方法

1.1 運動誤差的矢量表示方法

機床誤差以誤差矢量表示。以立式加工中心為例，安裝于工作臺上的工件某點為PW(XW,YW,ZW)，主軸刀基點為PT(XT,YT,ZT)。用O表示機械原點，用A、B、C表示沿X、Y、,Z軸進(jìn)給的移動件與進(jìn)給絲杠接觸的中間點。以PW為原點建立工件坐標(biāo)系，主軸刀基點PT的指令位置可用(X,Y,Z)表示，而實際的位置為(X′,Y′,Z′)。則用C=(Cx,Cy,Cz)定義指令位置(X,Y,Z)的誤差矢量，其中Cx=X′-X，Cy=Y′-Y，Cz=Z′-Z。

設(shè)X、Y、,Z為進(jìn)給方向；x、y、z為平移誤差的方向；a、b、c為繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)。而各軸進(jìn)給運動對應(yīng)的平移誤差矢量由矢量Ei=(exi,eyi,ezi)，i=X,Y,Z表示；各軸進(jìn)給運動對應(yīng)的回轉(zhuǎn)誤差由矢量Ri=(ai,bi,ci)，i=X,Y,Z表示，則誤差矢量可表示為

C=-EX-EY+EZ-RX×APG-RY×BPG+RZ×CPZ

(1)

這里APG、BPG、CPZ是位置矢量，如APG是從點A到工件上點PG的位置矢量。

1.2 基于圓運動的運動誤差分析模型

在具有與圓弧插補功能的數(shù)控機床上，圓弧插補中的運動誤差可通過測量主軸前端(或刀具前端)至工作臺上的圓弧中心的距離變動來檢測。利用該運動誤差軌跡不僅能評價運動精度，而且通過對該運動軌跡的解析能夠診斷運動誤差產(chǎn)生的原因。

在以PW(XW,YW,ZW)為原點的工件坐標(biāo)系，編制數(shù)控程序，使刀基點PT(XT,YT,ZT)以PW(XW,YW,ZW)為圓心，R為半徑做圓弧插補運動。根據(jù)勾股定理，有

R2=(XT-XW)2+(YT-YW)2+(ZT-ZW)2

(2)

[(XT+CxT)-(XW+CxW)]2+[(YT+CyT)-

(YW+CyW)]2+[(ZT+CzT)-(ZW+CzW)]2

(3)

ΔR為由于誤差產(chǎn)生的半徑誤差。將式(3)代入式(2)，忽略小值誤差自乘項，可得

(ZT-ZW)(CzT-CzW)]

(4)

式(4)為DBB機床精度測量法的基本表達(dá)式[9]，對于診斷機床的運動誤差準(zhǔn)確可靠。DBB法可以在球體的任意截面上進(jìn)行，即在三軸聯(lián)動加工中心上進(jìn)行?？紤]多種誤差并存和操作可行性，可以固定機床的一個軸后在平面上進(jìn)行圓周測量，使用式(4)三項中的兩項組合構(gòu)成公式進(jìn)行計算，然后將三個正交平面測量結(jié)果組合起來進(jìn)行空間運動精度評價。

1.3 精度狀態(tài)分析

數(shù)控機床運動誤差來源包括直線度誤差、垂直度誤差、反向間隙、反向躍沖等。以直線度誤差為例，直線度誤差是由于導(dǎo)軌加工時產(chǎn)生的，在裝配和安裝時也會產(chǎn)生。如果結(jié)構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力消除不充分，機床使用過程出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形，也會導(dǎo)致導(dǎo)軌直線度誤差。設(shè)X軸在Z軸方向存在二階直線度誤差，X軸存在一向Z軸a角度的偏移，則在+Z方向hmm位置處會產(chǎn)生平移誤差EX=(0,0,aX2)和回轉(zhuǎn)誤差bX=-2a·(-X)，則誤差矢量

C=(-2ahX,0,-aX2)

將誤差矢量C代入式(4)，則得直線度誤差

ΔR=-2ahRcos2θ-aR2sinθcos2θ

(5)

同理，可得到存在垂直度誤差、反向跳動誤差、失步量、伺服不匹配誤差等精度狀態(tài)。據(jù)此，可為機床使用廠家為機床精度問題探索一條可靠的途徑。

2 基于OPC的實時數(shù)據(jù)采集策略

2.1 數(shù)據(jù)交換策略

本文采用ePS等高端OEM平臺思想，提出基于OPC(OLE for Process Control)技術(shù)獲取數(shù)控機床的編碼器、光柵尺等機床本體信息，以期建立其與機床精度狀態(tài)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。OPC是以Microsoft公司的OLE/COM技術(shù)為基礎(chǔ)，采用客戶/服務(wù)器模型，制定的一種工業(yè)控制領(lǐng)域的開放式標(biāo)準(zhǔn)，它包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，用于過程控制和制造業(yè)自動化系統(tǒng)。利用OPC技術(shù)，可以對數(shù)控機床及其驅(qū)動程序進(jìn)行封裝，形成OPC服務(wù)器。按照OPC定制接口數(shù)據(jù)訪問規(guī)范，OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器中包含三種對象，分別是服務(wù)器對象(Server)、組對象(Group)和項對象(Item)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 OPC數(shù)據(jù)訪問一般結(jié)構(gòu)

Server對象和Group對象都只是邏輯概念，需要完成與客戶程序的交互，但不與特定的現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)生聯(lián)系。Item對象是服務(wù)器端定義的對象，客戶不與其直接交互。OPC服務(wù)器向下對數(shù)控機床數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，向上與OPC客戶應(yīng)用程序通信完成數(shù)據(jù)交換。本文針對機床的精度數(shù)據(jù)監(jiān)控在某國產(chǎn)高檔數(shù)控機床上進(jìn)行，其數(shù)控系統(tǒng)采用開放式數(shù)控系統(tǒng)西門子840D。一般計算機均配備RS232接口，而西門子產(chǎn)品多是MPI或Profibus子網(wǎng)，因此需要進(jìn)行通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換?；贠PC服務(wù)的應(yīng)用程序與NC/PLC數(shù)據(jù)交換模式如圖2。

圖2 OPC與應(yīng)用程序數(shù)據(jù)交換模式

機床的精度數(shù)據(jù)采集框架設(shè)計如圖3所示。OPC服務(wù)器屏蔽了現(xiàn)場層的設(shè)備驅(qū)動程序，客戶應(yīng)用程序開發(fā)人員看到的，只是OPC服務(wù)器提供的統(tǒng)一接口，而不必再去關(guān)心現(xiàn)場設(shè)備的驅(qū)動程序。只要客戶應(yīng)用程序符合OPC接口規(guī)范，就可以與OPC服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。客戶程序用VB實現(xiàn)對控制文件的編寫和修改，與HMI集成，同時實現(xiàn)操作畫面的嵌入。

圖3 機床精度OPC數(shù)據(jù)采集框架

2.2 精度模型采集變量的確定

西門子的數(shù)控實時操作系統(tǒng)(NC Realtime Kemal，NCK)中的變量始終按所定義的模式分配地址，存儲在數(shù)據(jù)塊中，數(shù)據(jù)塊分配給NCK不同的區(qū)域。在每個區(qū)域，變量一般以結(jié)構(gòu)形式存儲，或者以結(jié)構(gòu)的陣列(表)存儲。在存取一個變量時，在地址中必須包含以下信息：區(qū)域+區(qū)域號、模塊、變量名、行號。實現(xiàn)對機床誤差數(shù)據(jù)的實時采集，需要采集系統(tǒng)參數(shù)內(nèi)反映位置精度的變量。840D系統(tǒng)參數(shù)包含用于生產(chǎn)、安裝、調(diào)試用的機床數(shù)據(jù)，以及機床使用過程中需要設(shè)定的數(shù)據(jù)。變量種類繁多，包括軸基本設(shè)定數(shù)據(jù)、方式組數(shù)據(jù)、通道數(shù)據(jù)、主軸驅(qū)動數(shù)據(jù)、MMC數(shù)據(jù)、NC數(shù)據(jù)、刀具數(shù)據(jù)、進(jìn)給驅(qū)動數(shù)據(jù)等，分別分布于系統(tǒng)變量A、B、C、H、M、N、T、V區(qū)。其中的狀態(tài)變量如NCK狀態(tài)、方式組、指定通道狀態(tài)、進(jìn)給驅(qū)動狀態(tài)和主軸驅(qū)動狀態(tài)等數(shù)據(jù)會隨著系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)和操作變化。如要讀取通道3第三軸的速度則應(yīng)該這么讀取：/Channel/MachineAxis/actFeedRate[u3,3]，即讀取通道數(shù)據(jù)(C區(qū)數(shù)據(jù))，且讀取通道數(shù)據(jù)下機床軸狀態(tài)數(shù)據(jù)，且讀取機床軸狀態(tài)數(shù)據(jù)中通道3的3號軸進(jìn)給率數(shù)據(jù)[10]。

由式(4)可知，基于圓弧插補運動的運動精度數(shù)據(jù)采集，需要采集的狀態(tài)量對應(yīng)的OPC數(shù)據(jù)項Item的ID，如表1。

表1 狀態(tài)變量Item的ID

為減輕OPC服務(wù)器和OPC應(yīng)用程序的通信負(fù)載，避免不必要的數(shù)據(jù)傳輸，需配置OPC服務(wù)器支持死區(qū)屬性。即當(dāng)數(shù)據(jù)類型為模擬量時，若新采集數(shù)據(jù)值與上一次數(shù)據(jù)值之差的絕對值，小于預(yù)先設(shè)定的浮動值，則OPC服務(wù)器不必更新緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，也不必通知OPC應(yīng)用程序。通過無視模擬值的微小變化以減輕OPC服務(wù)器和OPC應(yīng)用程序的通信負(fù)載。此外，在出現(xiàn)無效數(shù)據(jù)包時，為防止阻塞通信線路，影響系統(tǒng)整體性能，需要對數(shù)據(jù)重新讀取次數(shù)進(jìn)行動態(tài)設(shè)置。OPC服務(wù)器同時還需處理數(shù)據(jù)讀寫操作的優(yōu)先級問題，協(xié)調(diào)好正常的參數(shù)采樣順序和采樣頻率。

3 試驗分析

3.1 NC程序與誤差信息獲取

由于高速時傳動誤差測量可能受到振動和彈性變形的影響，照Munro的觀點，噪聲問題在輕載時更突出，空載傳動誤差曲線常常是最富有意義的[11-12]。因此，試驗條件采用空載、XOY平面、插補半徑R=100mm。根據(jù)基于圓信息的機床運動誤差模型分析，編制圓弧插補程序如下：

G54 G90 G17 M05 M19 F500;(建立工件坐標(biāo)系，采用絕對坐標(biāo)，關(guān)閉并鎖緊主軸，XOY平面，以500mm/min進(jìn)給)

G01 X-100.0 Y3.0 Z0.0;(移到起始點)

G01 Y0.0;(切向進(jìn)入)

G03 I100.0 J0.0(360度逆時針圓弧)

G03 I100.0 J0.0(360度逆時針圓弧)

G01 Y-3.0(切向切出)

M30(程序結(jié)束)

如圖4所示，程序按照S-S1-S2-S3-S4-S1-E的逆時針軌跡，使刀基點GT繞工件坐標(biāo)原點GW的圓弧插補做圓弧3mm長度的切線切入和切出，并連續(xù)運行兩軸，有助于采集半徑為100mm圓弧插補位置數(shù)據(jù)時保證機床已獲得恒定的速度，并利于減小機床振動趨勢。

圖4 圓弧插補程序軌跡

數(shù)據(jù)采集界面顯示如圖5。采取多次重復(fù)試驗，以獲得數(shù)據(jù)的一致性和穩(wěn)定性。

圖5 程序運行界面

采取多次重復(fù)試驗，以獲得數(shù)據(jù)的一致性和穩(wěn)定性。提取的數(shù)據(jù)如圖6。

圖6 采集數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)據(jù)分析

對圖6所示數(shù)據(jù)，根據(jù)的基于圓信息的誤差模型，分析該機床XY平面存在的直線度誤差、垂直度誤差、反向跳動誤差、失步量、伺服不匹配誤差等精度狀態(tài)信息，獲得該機床在XY平面的主要運動誤差：XY軸間存在82μm/150mm的尺度誤差，X軸存在二階直線度誤差，象限改變時有臺階(X軸10μm、Y軸8μm)，象限改變時有突起(X軸12μm、Y軸6μm)，XY軸的伺服增益失配1.6%。通過以上分析，能實時掌握該機床的精度狀態(tài)，并采取主動措施；如對該機床的周期測評數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，還能充分掌握該機床的精度變化情況。

4 結(jié)論

(1)本文采用數(shù)控機床自檢測閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集策略，不影響機床原有運行狀態(tài)和結(jié)構(gòu)精度狀況，對于后續(xù)精度狀態(tài)溯因提供了穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)，實用性好。對于中小企業(yè)對機床的使用過程狀態(tài)監(jiān)控，操作性能強，性價比高。

(2)基于OPC的機床精度信息采集采用ePS等高端OEM軟件包思想，深入進(jìn)給系統(tǒng)軟硬件的底層，獲取數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期的效果和設(shè)計要求。

(3)鑒于圓插補數(shù)據(jù)對機床精度性能變化的全面反映，建立了圓運動軌跡與運動誤差的關(guān)聯(lián)模型，使得獲取的信息提供了良好的運動誤差快速溯因依據(jù)。國產(chǎn)高檔數(shù)控機床的運動精度評估一直是國內(nèi)外研究的熱點和難點，課題下一步將針對采集數(shù)據(jù)，按照前述機床運動誤差模型，以識別微弱信號的混沌算法進(jìn)行機床誤差溯因分析。

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(編輯 趙蓉)

The Real-time Evaluation Method of CNC Machine Tool Precision State Based on OPC Data

DU Liu-qing，YU Yong-wei，YUAN Dong-mei

(College of Mechanical Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

To realize active prevention or repair and ensure the machining quality, a real-time precision evaluation of the CNC machine tool was proposed based on OPC and circular motion information. The motion error analysis model of NC machine tool was established base on circle information. The analysis method of NC machine tool accuracy state was proposed with the real time circle information date. Referring the ideas ePS and other high-end OEM electronic detection service platform, an error variable real-time acquisition strategy based on OPC was designed to obtain stable real-time data of the circle information and realize evaluation on the movement precision of CNC machine tool. Experiments show that the method can extract circular motion data in real time and analyze accurately the accuracy of CNC machine tools, such as straightness. The performance of this method is good, and its applicability is strong.

machine tool precision; OPC; circular information; error model; motion error

1001-2265(2014)06-0046-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.013

2014-01-22

國家自然科學(xué)基金(51305476)； "高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備"國家科技重大專項課題 (2012ZX04011-031)

杜柳青(1975—)，女，重慶長壽人，重慶理工大學(xué)副教授，工學(xué)碩士，研究方向為機床精度設(shè)計，(E-mail)lqdu1@126.com。

TH166;TG65

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