丁求啟，李仁龍，陶 敏

（中國衛(wèi)星海上測控部 江蘇 江陰 214431）

無傳感器技術(shù)在伺服進(jìn)給系統(tǒng)中的應(yīng)用

丁求啟，李仁龍，陶 敏

（中國衛(wèi)星海上測控部 江蘇 江陰 214431）

針對傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床故障檢測技術(shù)難以及時發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)備問題，采用無傳感器檢測技術(shù)，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)床信息采集測試系統(tǒng)，并在X/Y兩軸數(shù)控工作臺上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該技術(shù)能夠及時的發(fā)現(xiàn)機(jī)床故障，克服了傳統(tǒng)檢測方法外置傳感器帶來的安裝不便、測試周期長、成本、通用性差等問題。

數(shù)控機(jī)床；伺服進(jìn)給系統(tǒng)；無傳感器技術(shù)；角度誤差

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，沖擊，變形等直接作用于數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)，對導(dǎo)軌，絲杠，軸承，聯(lián)軸器，渦輪，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]。因此對數(shù)控機(jī)床運(yùn)動精度，扭矩和潤滑狀態(tài)等進(jìn)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(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]?；诖?，文中提出了一種利用無傳感器測試技術(shù)對數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行快速精度檢測的方法，以評價機(jī)床伺服進(jìn)給軸的運(yùn)動狀態(tài)與特性。

1 無傳感器測試原理和技術(shù)

數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)是以位置（或角度）為控制對象的自動控制系統(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，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(yùn)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(jī)械運(yùn)動，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)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動到工作臺

線性運(yùn)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(jī)和滾珠絲杠直接通過聯(lián)軸器來進(jìn)行聯(lián)接。伺服進(jìn)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(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)本身就是一個豐富的信息源。利用機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)內(nèi)部存在的位置、電流測試元件和指令控制等機(jī)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(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)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(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)本身信息進(jìn)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(jìn)行直接采集，從而獲取機(jī)床運(yùn)行的狀態(tài)。

2 無傳感器檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對檢測的機(jī)床信號主要有光柵信號、電機(jī)編碼器信號、伺服電機(jī)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(jì)算機(jī)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。

圖1 伺服進(jìn)給系統(tǒng)基本組成Fig. 1 Structure diagram of the servo driving system

圖2 檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of the hardware system

2.1 方波計(jì)數(shù)卡

方波信號計(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，擁有四級數(shù)字濾波器，可防止光柵或編碼器因機(jī)床振動而產(chǎn)生信號跳變導(dǎo)致的誤計(jì)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(jì)數(shù)；支持A /B相碼盤信號輸入；數(shù)據(jù)鎖存時間高達(dá)0. 02 s。

2.2 正弦波計(jì)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(jī)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(jì)數(shù)采集卡來對正弦信號制式的光柵尺和編碼器信號進(jìn)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(jì)算機(jī)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(jì)

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)很好的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?？梢钥闯觯跀?shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件運(yùn)行過程中，上層應(yīng)用程序和底層驅(qū)動程序并不獨(dú)立，而是通過相互之間的通信函數(shù)來實(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，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(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。

圖3 檢測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Structure diagram of the software system

本測試系統(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。軟件開發(fā)編譯環(huán)境是Microsoft Visual C++6.0，該編譯環(huán)境可以很好的控制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，可以高效率的開發(fā)可用的實(shí)驗(yàn)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)界面完美的融為一體，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(shí)驗(yàn)

圖4 系統(tǒng)軟件界面Fig. 4 Interface chart of the system

試驗(yàn)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(yùn)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(jī)和放大器來實(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(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 500P/R。位置反饋信號則來自于安裝在工作臺上分辨率為2 50P/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(jì)數(shù)采集模塊所記錄，用來分析X-Y工作臺的運(yùn)動精度。位置控制是采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)插的美國Delta公司的pmac運(yùn)動控制卡來實(shí)現(xiàn)。

為了便于進(jìn)行誤差分離，數(shù)控機(jī)床測試實(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(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，可以借助于先進(jìn)的信號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，此時光柵尺可作為獨(dú)立的第三方檢測工具進(jìn)行測量。測試結(jié)果大大降低了機(jī)械與電氣耦合帶來的影響。當(dāng)在半閉環(huán)位置控制下進(jìn)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(jìn)行比較，因此，減小了工作臺的機(jī)械誤差被機(jī)床電氣環(huán)節(jié)放大的可能性。

圖5 X-Y工作臺示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the X-Y work table

4.1 X-Y數(shù)控工作臺單軸直線實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

從圖6（a）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)致伺服電機(jī)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107μm，由此可計(jì)算的光柵尺與絲杠之間夾角為2.65°。從圖6（b）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(bǔ)償消除。同時，由于引入了機(jī)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(yùn)動時機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

從圖7中可以看出圓度測試與理論推算嚴(yán)格符合，在作圓軌跡運(yùn)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(shí)際軌跡呈現(xiàn)出經(jīng)典的斜8字形，實(shí)測圖形與理論推算完全符合。從圖中還可以明顯的看出：在過象限處有明顯的“尖刺”存在，這是由于滾珠絲杠反向運(yùn)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，這是由于絲杠和電機(jī)由聯(lián)軸器連接時不對中造成的偏心引起的振動。

圖6 XEAD/位移對應(yīng)曲線圖Fig. 6 XEAD/position curves

圖7 不同進(jìn)給速度下的圓周誤差譜Fig. 7 Circle error spectrum under different speeds

5 結(jié) 論

文中提出了一種無傳感器測試技術(shù)可以對數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行快速精度檢測，評價機(jī)床伺服進(jìn)給軸的運(yùn)動狀態(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)床信息采集測試系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)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軸光柵安裝時和滾珠絲杠存在2.65°的角度誤差。

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Application of sensorless monitoring technology on servo driving system

DING Qiu-qi, LI Ren-long, TAO Min
（China Satellite Maritime Tracking and Control Department,Jiangyin214431,China）

A kind of sensorless detection technology is adopted in CNC machine according to the traditional fault detection technology is difficult to detect potential problems, established a CNC machine information detection system through using industrial computer PCI slot with different data acquisition card and compiling corresponding collection software. In order to verify the methods experiments were done on X/Y two-axis CNC table. The results show that the technique for diagnosis fault of machine with rapid superiority, to overcome the traditional detection method of external sensor brings the inconvenience of installation, long testing cycle, cost, poor commonality problem.

CNC; servo driving system; sensorless; angle error

TN906

A

1674-6236(2014)07-0060-04

2013-01-05稿件編號201301027

丁求啟(1984—)，男，湖北黃岡人，碩士研究生，工程師。研究方向：伺服控制。