基于無(wú)傳感器技術(shù)伺服進(jìn)給系統(tǒng)精度檢測(cè)方法研究

陳 新 丁求啟 陶 敏

(①常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院車(chē)輛工程系，江蘇常州 213164;②中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰 214431)

數(shù)控機(jī)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(dòng)、沖擊、變形等直接作用于數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)，對(duì)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(jī)床加工精度降低，甚至造成意外停機(jī)，一旦發(fā)生上述故障，其造成的經(jīng)濟(jì)損失是難以估量的［1］。因此對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度、扭矩和潤(rùn)滑狀態(tài)等進(jìn)行適時(shí)檢測(cè)，提取有用的信號(hào)特征，建立誤差模型，對(duì)于揭示數(shù)控機(jī)床機(jī)能退化和故障探源以及提高數(shù)控機(jī)床運(yùn)行效率，保證零件加工質(zhì)量都有著至關(guān)重要的意義［2］。基于此，本文提出了一種利用無(wú)傳感器測(cè)試技術(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行快速精度檢測(cè)的方法，以評(píng)價(jià)機(jī)床伺服進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與特性。

1 無(wú)傳感器測(cè)試原理和技術(shù)

數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)是以位置(或角度)為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)［3］，它接受CNC裝置插補(bǔ)計(jì)算產(chǎn)生的進(jìn)給脈沖信號(hào)，經(jīng)變換和功率放大后驅(qū)動(dòng)各坐標(biāo)軸帶動(dòng)工作臺(tái)和刀具運(yùn)動(dòng)，通過(guò)若干坐標(biāo)軸的聯(lián)動(dòng)，使刀具相對(duì)工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)各種輪廓形狀的加工。雖然機(jī)床的設(shè)計(jì)有多種，但其進(jìn)給傳動(dòng)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(shí)現(xiàn)伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到工作臺(tái)線性運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)變。絲杠的軸承承受工作臺(tái)傳來(lái)的軸向力。伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠直接通過(guò)聯(lián)軸器來(lái)進(jìn)行聯(lián)接。伺服進(jìn)給系統(tǒng)有位置信號(hào)和電流信號(hào)的測(cè)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(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)本身就是一個(gè)豐富的信息源。利用機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)內(nèi)部存在的位置、電流測(cè)試元件和指令控制等機(jī)床本體信息，通過(guò)研究相應(yīng)的信息獲取手段，測(cè)試和數(shù)據(jù)分析方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和性能評(píng)估診斷。相對(duì)于安裝外置傳感器的傳統(tǒng)方法，這種利用機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)本身信息進(jìn)行測(cè)試的方法為無(wú)傳感器技術(shù)［5］。對(duì)于開(kāi)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(kāi)放性，可通過(guò)開(kāi)發(fā)通用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)光柵信號(hào)、編碼器信號(hào)以及電流信號(hào)進(jìn)行直接采集，從而獲取機(jī)床運(yùn)行的狀態(tài)。

2 無(wú)傳感器檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)檢測(cè)的機(jī)床信號(hào)主要有光柵信號(hào)、電動(dòng)機(jī)編碼器信號(hào)、伺服電動(dòng)機(jī)扭矩、電流等信號(hào)，根據(jù)其形式可分為方波脈沖信號(hào)、正弦波脈沖信號(hào)和模擬信號(hào)3大類(lèi)。本系統(tǒng)針對(duì)這3種信號(hào)采用3種不同的數(shù)據(jù)采集板卡與計(jì)算機(jī)一塊構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件平臺(tái)如圖2所示，整個(gè)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(jì)數(shù)卡

方波信號(hào)計(jì)數(shù)器采集板卡采用PCI－1784四軸計(jì)數(shù)器卡。該卡采樣頻率最高可達(dá)8 MHz，擁有四級(jí)數(shù)字濾波器，可防止光柵尺或編碼器因機(jī)床振動(dòng)而產(chǎn)生信號(hào)跳變導(dǎo)致的誤計(jì)數(shù);可同時(shí)檢測(cè)兩軸的光柵尺和編碼器共4個(gè)信號(hào)源，為以后信號(hào)對(duì)比打下數(shù)據(jù)基礎(chǔ);可采集增量式編碼器和光柵信號(hào);擁有一個(gè)8位定時(shí)器，可向外輸出精確定時(shí)脈沖;支持4通道32位加減同步計(jì)數(shù);支持A/B相碼盤(pán)信號(hào)輸入;數(shù)據(jù)鎖存時(shí)間高達(dá)0.02 s。

2.2 正弦波計(jì)數(shù)卡

對(duì)于輸出形式為正弦信號(hào)的光柵尺和編碼器的信號(hào)采集，由于目前數(shù)控機(jī)床廠商采用較廣泛的是德國(guó)海德漢(HEIDENHAIN)公司生產(chǎn)的光柵尺和編碼器，為了使測(cè)試系統(tǒng)具有較廣泛的適用性，課題組選用了德國(guó)海德漢公司生產(chǎn)的專(zhuān)用的IK220 PCI計(jì)數(shù)采集卡來(lái)對(duì)正弦信號(hào)制式的光柵尺和編碼器信號(hào)進(jìn)行采集。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換卡

對(duì)于振動(dòng)傳感器和電流傳感器輸出的模擬信號(hào)的采集，為了能直接被計(jì)算機(jī)處理，需要經(jīng)過(guò)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(gè)可編程增益碼(0，1，2，3，4，16，17，18，19)，因此可以通過(guò)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(hào)，以獲得更高的采集精度。

3 無(wú)傳感器檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)軟件采用VC++6.0集成開(kāi)發(fā)編譯環(huán)境，它是支持C++面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的一個(gè)經(jīng)典開(kāi)發(fā)環(huán)境。該系統(tǒng)是基于Windows多任務(wù)操作平臺(tái)的多種數(shù)據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)，各個(gè)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(diǎn)，運(yùn)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(yùn)行過(guò)程中，上層應(yīng)用程序和底層驅(qū)動(dòng)程序并不獨(dú)立，而是通過(guò)相互之間的通信函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從板卡緩存或寄存器到計(jì)算機(jī)內(nèi)存的傳輸。在Windows XP下，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)將程序分為用戶態(tài)程序和核心態(tài)程序兩類(lèi)，應(yīng)用程序不能直接訪問(wèn)硬件，只能通過(guò)訪問(wèn)作為操作系統(tǒng)一部分的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與硬件交換數(shù)據(jù)。板卡驅(qū)動(dòng)程序成功安裝后，作為操作系統(tǒng)的信任部分，驅(qū)動(dòng)程序提供了連接到計(jì)算機(jī)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(guò)應(yīng)用程序來(lái)操作數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)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(cè)試系統(tǒng)采用PC機(jī)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(bǔ)丁程序組。軟件開(kāi)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(lèi)庫(kù)和硬件板卡的驅(qū)動(dòng)程序，可以高效率地開(kāi)發(fā)可用的實(shí)驗(yàn)專(zhuān)用軟件;同時(shí)Windows標(biāo)準(zhǔn)控件可以讓檢測(cè)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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(dll)和靜態(tài)鏈接庫(kù)(lib)，出于對(duì)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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)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(kāi)發(fā)的繁雜，其中數(shù)據(jù)采集界面如圖4所示。

4 無(wú)傳感器測(cè)試實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)研究對(duì)象是如圖5所示的高精度X－Y工作臺(tái)。該系統(tǒng)是一個(gè)全數(shù)字交流伺服開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，帶有平臺(tái)的X軸安裝在Y軸上，從而構(gòu)成兩軸兩聯(lián)動(dòng)數(shù)控工作臺(tái)，它是典型的高精度運(yùn)動(dòng)控制的對(duì)象。各坐標(biāo)軸的驅(qū)動(dòng)是通過(guò)與滾珠絲杠直接相連的三菱三相交流永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)和放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。滾珠絲杠的導(dǎo)程是5 mm，線數(shù)是單線的，工作臺(tái)是由滾動(dòng)導(dǎo)軌支撐的。為了保持高剛度和無(wú)間隙連接，對(duì)滾珠絲杠和滾動(dòng)導(dǎo)軌施加了合適的預(yù)載荷。伺服電動(dòng)機(jī)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(hào)則來(lái)自于安裝在工作臺(tái)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(hào)計(jì)數(shù)采集模塊所記錄，用來(lái)分析X－Y工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度。位置控制是采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)插的美國(guó)Delta公司的pmac運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為了便于進(jìn)行誤差分離，數(shù)控機(jī)床測(cè)試實(shí)驗(yàn)分別在全閉環(huán)和半閉環(huán)控制條件下進(jìn)行。當(dāng)在全閉環(huán)位置控制下進(jìn)行測(cè)試時(shí)，無(wú)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(jī)械故障、電氣故障，也可能是機(jī)械與電氣的耦合故障［6］。若故障源是單一的，可借助先進(jìn)的信號(hào)處理和特征提取方法進(jìn)行故障溯源。但是若故障是電氣耦合故障，顯然很難進(jìn)行故障分離與溯源。因此可通過(guò)設(shè)置數(shù)控機(jī)床相關(guān)參數(shù)，使機(jī)床工作在半閉環(huán)位置控制下，此時(shí)光柵尺可作為獨(dú)立的第三方檢測(cè)工具進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試結(jié)果大大降低了機(jī)械與電氣耦合帶來(lái)的影響。當(dāng)在半閉環(huán)位置控制下進(jìn)行測(cè)試時(shí)，作為位置檢測(cè)的工作臺(tái)光柵尺信號(hào)并不被引入數(shù)控系統(tǒng)與指令位置進(jìn)行比較，因此減小了工作臺(tái)的機(jī)械誤差被機(jī)床電氣環(huán)節(jié)放大的可能性。

4.1 X－Y數(shù)控工作臺(tái)單軸直線實(shí)驗(yàn)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(gè)規(guī)律的周期性振動(dòng)，這正好和數(shù)控工作臺(tái)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(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)一圈就有一個(gè)周期性振動(dòng)。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(shì)，經(jīng)分析研究，是由于光柵尺安裝時(shí)與滾珠絲杠不在水平線上，存在一定的角度誤差。可以看出在位移為100 mm時(shí)，XEAD的值為107 μm，由此可計(jì)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(dòng)，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(bǔ)償消除。同時(shí)，由于引入了機(jī)械部分參與控制，工作臺(tái)潤(rùn)滑狀況惡劣，絲杠形成磨損后，導(dǎo)致工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)械磕碰比較多，所以反映到信號(hào)圖譜上，毛刺就比較多。

4.2 X－Y數(shù)控工作臺(tái)兩軸聯(lián)動(dòng)圓實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

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

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種無(wú)傳感器測(cè)試技術(shù)可以對(duì)數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行快速精度檢測(cè)，評(píng)價(jià)機(jī)床伺服進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與特性。利用工業(yè)計(jì)算機(jī)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(jī)床信息采集測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出了X/Y兩軸工作臺(tái)XEAD/位移曲線、速度曲線和圓周誤差譜，并分析了工作臺(tái)振動(dòng)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(tái)的X軸光柵尺安裝時(shí)和滾珠絲杠存在2.65°的角度誤差。

［1］熊軍.數(shù)控機(jī)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(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差檢測(cè)技術(shù)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2002(1):18－23.

［3］徐衡.數(shù)控機(jī)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(chéng)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.