基于嵌入式傳感裝置的數(shù)控機(jī)床顫振實(shí)時(shí)補(bǔ)償研究

藍(lán)立俊，劉朝濤

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074)

0 前言

在機(jī)床加工時(shí)，顫振是僅次于熱變形對(duì)加工精度影響最大的因素。顫振是在使用機(jī)床的過(guò)程中，材料和工具之間突然產(chǎn)生的相對(duì)振動(dòng)。而這種振動(dòng)是嚴(yán)重影響待加工材料質(zhì)量的一個(gè)因素，也是導(dǎo)致工具和機(jī)器損壞的原因。

因此，有必要消除顫振，以確?？杉庸ば院头€(wěn)定性。目前顫振主要可以通過(guò)2種方法來(lái)降低：一個(gè)是宏觀檢查工具在工作時(shí)振動(dòng)的程度，并建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，以便顫振不會(huì)再次發(fā)生；另一種是用加速度傳感器采集數(shù)據(jù)，用選擇加工條件的方法來(lái)防止下次產(chǎn)生顫振。

本文作者使用CAN總線構(gòu)建車間機(jī)床工作狀態(tài)信息采集網(wǎng)絡(luò)，然后用加速度傳感器來(lái)采集機(jī)床各軸的數(shù)據(jù)信息，顫振檢測(cè)和預(yù)測(cè)模型的部分將被嵌入并制成裝置，再通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，上位機(jī)軟件采用C語(yǔ)言基于KEIL平臺(tái)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床顫振誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償；最后，通過(guò)加速度傳感器信息和顫振誤差補(bǔ)償模型來(lái)計(jì)算機(jī)床顫振補(bǔ)償值，并且以加工工件表面粗糙度作為系統(tǒng)性能指標(biāo)。

1 數(shù)控機(jī)床顫振信號(hào)采集及分析

顫振是機(jī)床在特定條件下產(chǎn)生的。為了闡明產(chǎn)生顫振的條件，文中以加速度信號(hào)作為研究對(duì)象，通過(guò)使用加速度傳感器分別連接到、和軸來(lái)對(duì)機(jī)床信息進(jìn)行采集。顫振測(cè)試及信號(hào)采集裝置如圖1所示。

加工過(guò)程通過(guò)改變進(jìn)給速度、加工深度和主軸轉(zhuǎn)速來(lái)測(cè)量每個(gè)軸的加速度信號(hào)。為了分析機(jī)床的顫振特性，把加工深度固定為0.8 mm，主軸轉(zhuǎn)速固定為500 r/min，然后分別以500、1 000、2 000和3 000 mm/min的進(jìn)給速度對(duì)機(jī)床信息進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖2所示。

圖1 機(jī)床顫振測(cè)試以及信號(hào)采集

圖2 原始信號(hào)和頻率特性曲線

從圖2可以看出:在加工深度為0.8 mm、主軸速度為500 r/min的情況下，隨著進(jìn)給速度的增加，發(fā)現(xiàn)理想頻率大多集中在4 000～8 000 Hz之間，但振幅值逐漸減小。其中在3 000 mm/min的進(jìn)給速度時(shí)，振幅值趨于穩(wěn)定，此時(shí)機(jī)床達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)。

2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

嵌入式設(shè)備性能比較單一，若是模型參數(shù)改變就需要重新燒寫程序，此操作比較麻煩。基于此，文中采用上位機(jī)作為顫振誤差補(bǔ)償建模服務(wù)器，可保證建模性能以及模型的擴(kuò)展。與此同時(shí)，上位機(jī)服務(wù)器可以對(duì)整個(gè)車間機(jī)床進(jìn)行管控，可以實(shí)現(xiàn)集中控制，顫振誤差補(bǔ)償系統(tǒng)示意如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意

在圖3中數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)和嵌入式終端系統(tǒng)通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行了有效的信息交互，同時(shí)嵌入式終端系統(tǒng)和誤差建模服務(wù)器通過(guò)CAN通信協(xié)議也聯(lián)系了起來(lái)。這樣不僅擴(kuò)展性強(qiáng)，還具有穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。顫振誤差補(bǔ)償系統(tǒng)功能劃分如表1所示。

表1 顫振誤差補(bǔ)償系統(tǒng)功能劃分

2.2 嵌入式傳感器裝置硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)硬件系統(tǒng)的前端是由加速度傳感器進(jìn)行機(jī)床的數(shù)據(jù)采集，然后通過(guò)由9個(gè)引腳組成的連接插孔將電源連接到加速度傳感器中給傳感器供電，同時(shí)通過(guò)藍(lán)牙模塊和LAN網(wǎng)絡(luò)模塊把機(jī)床加工狀態(tài)信息和加速度信號(hào)發(fā)送到CAN總線上。將數(shù)據(jù)打包通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊或CAN總線模塊上傳至上位機(jī)，上位機(jī)服務(wù)器系統(tǒng)則通過(guò)數(shù)據(jù)篩選、分析和解包，顯示相關(guān)信息。整體示意如圖4所示,硬件實(shí)物如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 圖5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)實(shí)物示意

2.3 嵌入式傳感器裝置軟件設(shè)計(jì)

嵌入式終端芯片選用PIC18F系列芯片，這種類型的芯片都內(nèi)置了CAN接口，并且該協(xié)議是為了噪聲環(huán)境設(shè)計(jì)的，所以在機(jī)床中使用可以提供可靠的通信。由于內(nèi)置了局域網(wǎng)控制器，則只需要一個(gè)局域網(wǎng)收發(fā)器(如PCA82C250)就可以連接到局域網(wǎng)CAN總線上。

嵌入式終端使用以太網(wǎng)與數(shù)控系統(tǒng)通信，需要遵從TCP/IP協(xié)議。LWIP作為一種開源代碼，包含TCP/IP開源協(xié)議棧。通過(guò)在PIC單片機(jī)上移植LWIP構(gòu)建客戶端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的通信。嵌入式終端監(jiān)測(cè)機(jī)床信息流程如下：

(1)初始化嵌入式終端，開啟TCP/IP協(xié)議，等待數(shù)控系統(tǒng)連接；

(2)數(shù)控系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)連接，連接成功以后創(chuàng)建多個(gè)任務(wù)；

(3)連接成功以后，通過(guò)TCP/IP協(xié)議發(fā)送數(shù)控機(jī)床信息到嵌入式終端；若是連接斷開，則信息中斷，如此循環(huán)；

(4)機(jī)床等待接收嵌入式終端數(shù)據(jù)，并且處理接收到的數(shù)據(jù)，若沒有嵌入式終端數(shù)據(jù)，則機(jī)床進(jìn)入休眠狀態(tài)，如此循環(huán)；

(5)嵌入式終端接收到數(shù)據(jù)后，采集機(jī)床各軸的加速度信息，傳輸至上位機(jī)判斷是否出現(xiàn)顫振情況，依次循環(huán)。

2.4 CAN總線通信

控制器局域網(wǎng)CAN網(wǎng)絡(luò)屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇,它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有高傳輸速率可靠的傳輸性能、簡(jiǎn)單的接口方式、低廉的安裝和維護(hù)成本等優(yōu)勢(shì)。其信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸?shù)臅r(shí)間短，受干擾的概率低，每幀信息均有CRC校驗(yàn)和其他檢錯(cuò)措施，所以一般通信誤碼率極低。圖6為CAN總線模塊流程。

圖6 CAN總線模塊流程

3 顫動(dòng)誤差補(bǔ)償系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證

3.1 測(cè)試環(huán)境的搭建

以圖7所示數(shù)控機(jī)床為例，每一個(gè)數(shù)據(jù)采集終端都是以HN600A加速度傳感器分別安裝在機(jī)床、和軸上進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集；然后將終端采集的數(shù)據(jù)傳送到CAN總線上，CAN總線上連接USB采集卡；最后把USB采集卡連接到計(jì)算機(jī)上就完成了硬件平臺(tái)的搭建。

圖7 硬件測(cè)試環(huán)境

3.2 顫動(dòng)補(bǔ)償驗(yàn)證

在上位機(jī)中實(shí)時(shí)提取機(jī)床工作所需要的測(cè)量數(shù)據(jù)相當(dāng)困難，所以文中以工件加工表面粗糙度作為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的指標(biāo)。

采用日本三豐公式生產(chǎn)的粗糙度測(cè)量?jī)xSJ-210進(jìn)行了補(bǔ)償前后的誤差測(cè)量。經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)，工件表面粗糙度有了明顯的改善，文中所研究的方法也得到了驗(yàn)證。機(jī)床顫動(dòng)振動(dòng)補(bǔ)償前后的數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

表2 顫動(dòng)振動(dòng)補(bǔ)償前后對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)機(jī)床加工過(guò)程中出現(xiàn)的顫振誤差補(bǔ)償問(wèn)題，提出采用嵌入式傳感裝置對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。采用機(jī)床各軸加速度信息，通過(guò)顫振補(bǔ)償模型計(jì)算補(bǔ)償值，同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)與機(jī)床進(jìn)行信息交互，并且使用CAN總線實(shí)現(xiàn)了和上位機(jī)服務(wù)器的通信，最后以工件加工表面粗糙度作為實(shí)驗(yàn)性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：文中研究的方法能夠有效采集機(jī)床狀態(tài)信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床顫振誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。