蘇史博，畢 果，彭云峰，曾鑫龍，高 凱

（廈門大學(xué)航空航天學(xué)院，廈門 361102）

大尺寸高精度非球面光學(xué)元件在許多國家重大科學(xué)工程里有大量的需求，廣泛運(yùn)用于光學(xué)衛(wèi)星、空間望遠(yuǎn)鏡、激光聚變點(diǎn)火裝置等中。大型光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡是 “十三五”規(guī)劃建設(shè)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，該項(xiàng)目要求使用多個(gè)大尺寸高精度光學(xué)元件組合成φ12m 的反射主鏡[1]。中國工程物理研究院研制的神光3 號慣性約束核聚變激光[2]點(diǎn)火裝置需要數(shù)以千計(jì)的大口徑光學(xué)元件。

這類光學(xué)元件的加工既要求加工精度與質(zhì)量穩(wěn)定，又對加工效率和成本有嚴(yán)格的控制。為此，相應(yīng)的超精密磨削機(jī)床性能和可靠性要求不斷提高。超精密磨床本身通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新和優(yōu)化獲得更好的可靠性和精度保持性，大大提高了加工精度和加工效率。另一方面，加工過程中的外界干擾、溫度變化、加工振動、砂輪刀具磨損等問題難以完全避免，為了使整個(gè)加工過程穩(wěn)定可控，防止加工事故的發(fā)生，需要為超精密磨床研制專用的監(jiān)控系統(tǒng)。目前高端超精密磨床已經(jīng)普遍配備了機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，未來的機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)將能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測機(jī)床狀態(tài)、預(yù)測機(jī)床剩余穩(wěn)定工作時(shí)間并對機(jī)床維修等操作做出輔助決策建議[3]。

本文介紹的超精密磨床嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)基于廈門大學(xué)微納加工和檢測聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研制開發(fā)的大口徑光學(xué)元件精密磨削機(jī)床UPG80，對機(jī)床加工過程中溫度振動聲發(fā)射等信號進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)存儲，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床加工狀態(tài)的監(jiān)測和控制。使用NI sbRIO–9627 單板控制器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)，基于LabVⅠEW 環(huán)境編寫機(jī)床監(jiān)控軟件，采用夾層卡等讀取傳感器輸入信號，通過可重復(fù)編程配置的FPGA 構(gòu)成的采集模塊獲取磨床工作過程中的有效狀態(tài)信息，通過實(shí)時(shí)程序?qū)π畔⑦M(jìn)行分析、處理和存儲，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床狀態(tài)的監(jiān)測?？芍貜?fù)編程的FPGA 采集模塊能夠根據(jù)采集和監(jiān)控的需要靈活配置以適用于各種傳感器和監(jiān)測任務(wù)，通過使用15路FIFO 實(shí)現(xiàn)對多路振動信號和聲發(fā)射信號的實(shí)時(shí)高速采集。相對于傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，本監(jiān)控系統(tǒng)通過使用嵌入式硬件和FPGA 技術(shù)，大大縮小了系統(tǒng)的體積和重量，同時(shí)顯著地降低了成本，使得系統(tǒng)能夠部署于機(jī)床內(nèi)部，如表1 所示。

1 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

針對超精密磨床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和精度要求，監(jiān)控系統(tǒng)采集監(jiān)控的對象主要包括溫度、振動聲發(fā)射等信號[4]。溫度變化會造成機(jī)床結(jié)構(gòu)部件的尺寸變化，從而影響加工精度[5]。振動聲發(fā)射等信號中蘊(yùn)含著大量反映加工狀態(tài)的信息，可為融合數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)在線加工狀態(tài)監(jiān)測提供基礎(chǔ)。

為了實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)床的狀態(tài)，使用傳感器采集機(jī)床的振動、聲發(fā)射、溫度等信號。振動和聲發(fā)射信號主要采集自砂輪磨削過程，溫度信號包括導(dǎo)軌、導(dǎo)軌油、主軸、主軸油、磨削液等，如圖1 所示。

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件采用美國國家儀器公司的FPGA單板控制器NI sbRIO–9627 和配套的NⅠ9694 夾層卡。NI sbRIO–9627 單板控制器上的Xilinx ZYNQ-7020 芯片集成了1 個(gè)667MHz 雙核ARM Cotex-A9 處理器和1 個(gè)Xilinx Artix-7 FPGA 模塊。控制器上還集成了其他IO 接口，包括以太網(wǎng)口、RS232 串口、通用串行接口和SD 卡插槽等。通過sbRIO 開發(fā)套件可以快速地開發(fā)高性能嵌入式應(yīng)用，靈活可靠。開發(fā)套件通過RMC連接器連接RMC 夾層卡之后，可以獲得16 通道16bit采樣率200kS/s 的高速模擬輸入和4 通道16bit 刷新率336kS/s 的高速模擬輸出?？刂破鬟€能夠連接NIC 系列采集模塊，提供更為豐富的采集功能。

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件由運(yùn)行在FPGA 中的采集程序FPGAVⅠ和運(yùn)行在ARM 處理器中的數(shù)據(jù)處理程序RTVⅠ構(gòu)成。完整的系統(tǒng)還包括讀取機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部傳感器信息所需的OPC 服務(wù)器和相應(yīng)的上位機(jī)VⅠ。為了不占用數(shù)控系統(tǒng)PLC 的編程口，方便在監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行采集的同時(shí)不影響其他對PLC 的操作，使用BCNet–S7300 將機(jī)床內(nèi)部傳感器數(shù)據(jù)地址映射到網(wǎng)絡(luò)地址，被監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)訪問。

表1 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢對比Table 1 Comparison of advantages of embedded monitoring systems

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of monitoring system

2 系統(tǒng)監(jiān)控對象

2.1 溫度

超精密磨床的精度要求極高，0.1℃量級的溫度變化都可能使得機(jī)床的重復(fù)定位誤差超出設(shè)計(jì)容限。實(shí)際加工中，恒溫車間溫度變化、導(dǎo)軌摩擦升溫等因素都可能導(dǎo)致機(jī)床床身主體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，使加工誤差超出設(shè)計(jì)允許的范圍[6–7]?？梢酝ㄟ^對機(jī)床的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)減小誤差，但是這種方法存在物理極限。雖然機(jī)床配套了導(dǎo)軌冷卻輔助系統(tǒng)和主軸冷卻輔助系統(tǒng)，但高精度要求使機(jī)床溫度誤差補(bǔ)償非常必要[8–9]。為此，需要建立整機(jī)溫度監(jiān)測系統(tǒng)，對各個(gè)部件的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為機(jī)床熱誤差模型的構(gòu)建和誤差自適應(yīng)控制提供準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)依據(jù)。根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和需求，在機(jī)床床身主要構(gòu)件上布置傳感器，采用CT100 作為溫度傳感器（測溫范圍0～80℃），傳感器輸出的信號通過調(diào)理模塊轉(zhuǎn)換為電壓信號，連接到RMC 夾層卡的模擬輸入接線端，由FPGA 采集模塊采集。

2.2 聲發(fā)射

在超精密磨床加工過程中，砂輪的狀態(tài)影響加工的精度和效率，確保砂輪處于良好的加工狀態(tài)是加工質(zhì)量、精度和安全的保障。在當(dāng)下的實(shí)際加工中，為了確保砂輪狀態(tài)良好，防止加工事故的發(fā)生，會在砂輪加工壽命還有很大余量時(shí)更換砂輪，造成較大浪費(fèi)。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測砂輪的狀態(tài)，預(yù)測砂輪的剩余壽命，能夠在確保加工的質(zhì)量和安全的同時(shí)提高砂輪的實(shí)際使用壽命，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

砂輪在磨削加工過程中伴隨著大量的聲發(fā)射現(xiàn)象，這些聲發(fā)射信號中蘊(yùn)含著大量關(guān)于砂輪狀態(tài)的信息，利用聲發(fā)射信息可以有效地監(jiān)控砂輪的工作狀態(tài)并預(yù)測其剩余壽命[10–12]。

針對磨床的加工方式和加工對象，在機(jī)床磁吸平臺底座上布置聲發(fā)射傳感器，選擇美國物理聲學(xué)所的R6A傳感器（響應(yīng)范圍35～100kHz），傳感器的輸出信號通過調(diào)理模塊轉(zhuǎn)換為電壓信號，連接到RMC 夾層卡的模擬輸入接線端，被FPGA 采集模塊采集。系統(tǒng)對聲發(fā)射信號的最高采樣率可以達(dá)到200kS/s（模擬通道采樣率上限），采樣精度可達(dá)16 位。

2.3 振動

超精密磨床加工過程中，砂輪與工件的磨削干涉作用以及機(jī)床各運(yùn)動部件都會產(chǎn)生振動，對機(jī)床性能和加工質(zhì)量產(chǎn)生影響，尤其對于光學(xué)硬脆性材料，振動不僅會在工件加工表面產(chǎn)生周期性振紋，還會造成嚴(yán)重的亞表面損傷[13]。另外，機(jī)床加工過程中，過大的進(jìn)給速度等因素可能會使機(jī)床與工件構(gòu)成的整體發(fā)生自激振動，嚴(yán)重影響工件的加工質(zhì)量，損傷機(jī)床結(jié)構(gòu)，甚至可能造成加工事故。為了避免切削顫振，實(shí)際加工中采取固定的切削用量，并由操作者根據(jù)機(jī)床振動的情況實(shí)時(shí)調(diào)整，這就使機(jī)床不能達(dá)到最好的加工效率。因此，采集分析和處理機(jī)床振動信號對機(jī)床加工具有較大意義。

為了監(jiān)控這些振動，在機(jī)床各軸和導(dǎo)軌等主要振源位置安裝加速度傳感器，采用PCB356A17 三軸加速度振動傳感器監(jiān)測機(jī)床各測點(diǎn)在三維空間的振動情況。系統(tǒng)對于振動的最高采樣率為6kS/s，采樣精度可達(dá)16位。

2.4 其他信號

除了以上介紹的3 種信號，UPG80 磨床還配備了環(huán)境溫濕度傳感器、主軸油溫油壓傳感器、磨削液溫度等傳感器，這些傳感器通過S7300 PLC 連接到西門子840D 數(shù)控系統(tǒng)。為了全面監(jiān)測機(jī)床的工作狀態(tài)，監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)訪問S7300 PLC 的方式獲取這些傳感器的信號。

3 監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

本嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分基于LabVⅠEW 環(huán)境開發(fā)，利用LabVⅠEW 特有的圖像編程語言和模塊化編程架構(gòu)編寫監(jiān)控系統(tǒng)的FPGA 采集程序和處理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)程序。

監(jiān)測系統(tǒng)的軟件分為兩個(gè)部分：一部分是運(yùn)行在FPGA 中的采集程序；另一部分是運(yùn)行在實(shí)時(shí)處理器上的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理程序。首先通過FPGA 上運(yùn)行的采集程序從模數(shù)轉(zhuǎn)換通道中同步讀取傳感器采集到的溫度振動聲發(fā)射等原始信號，將原始信號存儲于能夠高速讀寫的DMA FIFO 中。另一方面，運(yùn)行在ARM 處理器上的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上的RTVⅠ讀取存儲在DMA FIFO 中存儲的傳感器原始信號，對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、存儲、插值等處理后，根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的分析，為控制和決策等提供參考。RTVⅠ還是嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)和上位機(jī)通信的媒介，在連接上位機(jī)后，RTVⅠ能夠被上位機(jī)實(shí)時(shí)地操控運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。

對于機(jī)床內(nèi)部的傳感器，在上位機(jī)使用NⅠ OPC Client 通過BCNet 模塊訪問機(jī)床PLC 中存儲的傳感器數(shù)據(jù)并建立標(biāo)簽。在LabVⅠEW 程序中，使用添加I/O服務(wù)器并綁定變量，就可以在LabVⅠEW 程序中使用這些傳感器信息了。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器的電信號通過調(diào)理模塊，轉(zhuǎn)換為10V 的電壓信號，連接到NⅠ9694 夾層卡上，通過sbRIO 上的高速AD 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號而被FPGA 模塊所讀取。利用LabVⅠEW 的FPGA 模塊可以很方便地通過圖形化界面開發(fā)FPGA 采集程序。開發(fā)完成的FPGAVⅠ經(jīng)過編譯和下載，存儲在sbRIO 的閃存芯片中。sbRIO 單板控制器每次啟動時(shí)，都會自動從閃存中讀取FPGA 配置信息，配置出設(shè)計(jì)的采集電路。

FPGA 模塊無法實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的協(xié)同運(yùn)行，因此必須將部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理和顯示置于運(yùn)行在ARM 處理器上的RTVⅠ中。這就需要實(shí)現(xiàn)FPGA 與ARM 處理器的數(shù)據(jù)傳輸，也就是嵌入式所謂的PS（Processing System）與PL（Programmable Logic）通信。對于溫度壓力流量等不需要高速采集的監(jiān)測對象，只需要在RTVⅠ中直接引用采集模塊的輸出即可。而對于需要高速采集的聲發(fā)射、振動等信息，則使用FIFO（先進(jìn)先出數(shù)據(jù)緩存器）實(shí)現(xiàn)PS 與PL 的通信；另一方面，F(xiàn)PGA 模塊的時(shí)鐘為400MHz，而PS 部分的ARM 處理器時(shí)鐘頻率為666MHz，所以使用FIFO（先進(jìn)先出存儲器）來進(jìn)行兩者間的數(shù)據(jù)傳輸能夠避免數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)生速率下降、數(shù)據(jù)超時(shí)丟失等問題。利用sbRIO–9627 上集成的DMA FIFO 可以使PS 部分的ARM 處理器直接高速讀取PL部分的FPGA 模塊存儲到FIFO 中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)PL 與PS 之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，如圖2 所示。

圖2 FIFO振動與聲發(fā)射高速采集模塊VIFig.2 FIFO vibration and acoustic emission high speed acquisition module VI

相較于傳統(tǒng)信號采集設(shè)備，F(xiàn)PGA 可編程的特點(diǎn)使得它能夠通過編程來適應(yīng)各種采集任務(wù)而無需購買各種昂貴的采集卡。對于振動傳感器輸出的加速度信號，可以在數(shù)據(jù)采集模塊中加入積分電路從而實(shí)時(shí)獲得速度信號甚至位移信號。對于振動信號、聲發(fā)射信號中可能存在的特定頻率的干擾，可在數(shù)據(jù)采集模塊中加入陷波濾波器等來消除干擾。系統(tǒng)AD 采樣頻率可達(dá)200kS/s，采集振動、溫度等頻率較低的信號時(shí)，可以通過FPGA 來實(shí)現(xiàn)分時(shí)采集以提高系統(tǒng)的采集通道數(shù)。

砂輪加工過程無法避免的振動會影響砂輪磨削的效果，在工件上形成振動紋路，降低加工質(zhì)量。為了避免這個(gè)缺點(diǎn)，可以對砂輪進(jìn)行主動振動控制，抑制砂輪發(fā)生的振動,從而提高工件加工精度[14]。這就需要從加速度傳感器測得加速度信息以計(jì)算出位移信息。這個(gè)過程需要兩次積分，傳統(tǒng)直接積分的方法容易造成較大的累計(jì)誤差。運(yùn)用低阻濾波器對低頻信號進(jìn)行濾波并消除趨勢項(xiàng)，從而獲得較為準(zhǔn)確的振動位移信號，為后期振動主動控制提供基礎(chǔ) 。

圖3 溫度分時(shí)采集模塊架構(gòu)Fig.3 Temperature time sharing module architecture

圖4 溫度監(jiān)控子系統(tǒng)界面Fig.4 Temperature monitoring subsystem interface

溫度通道數(shù)量過多會占用開發(fā)套件過多的模擬輸入通道，而NI sbRIO–9627 的模擬輸入通道可以達(dá)到200kHz 采樣率，直接降低采樣率采集溫度傳感器信息也會造成較大浪費(fèi)，因此使用多路選通模擬開關(guān)來進(jìn)行多通道的溫度分時(shí)采集。NI sbRIO–9627 擁有96 通道的開關(guān)量輸出通道，可以用來控制多路選通模擬開關(guān)，進(jìn)行高速分時(shí)采集，如圖3 所示。

3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理程序與界面

依賴NⅠ Linux Real-time 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)建立的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊讀取FPGA 數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行積分、頻率域分析等數(shù)據(jù)處理，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。對于溫度等采樣率很低的信號，直接通過引用FPGA 模塊的輸出來讀取，并在Realtime 模塊中實(shí)時(shí)顯示和存儲。通過LabVⅠEW Realtime 模塊的FIFO 方法可以讀取FPGA 模塊存入FIFO 中的聲發(fā)射信號和加速度計(jì)輸出的振動信號，對其進(jìn)行頻域分析等處理。特別是對加速度計(jì)輸出的振動信號，通過二次積分并消除趨勢項(xiàng)，得到振幅信息，實(shí)現(xiàn)對振幅的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖4～6 所示。

圖5 振動監(jiān)控子系統(tǒng)界面Fig.5 Vibration monitoring subsystem interface

圖6 聲發(fā)射監(jiān)控子系統(tǒng)界面Fig.6 Acoustic emission monitoring subsystem interface

4 監(jiān)控系統(tǒng)采集試驗(yàn)

利用所搭建的監(jiān)測系統(tǒng)，對UPG80 超精密磨床磨削非球面光學(xué)玻璃過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（圖7）。

圖8 為主軸轉(zhuǎn)速1003r/min，磨削0.03mm，工作臺速度3500mm/min，采樣頻率1024Hz 時(shí)采集到的主軸Z向振動波形和對應(yīng)的幅值譜。從振動信號的幅值譜上可以看到，100Hz 處有一個(gè)峰值，對應(yīng)的是磨床主軸旋轉(zhuǎn)引起的振動，這個(gè)頻點(diǎn)的幅值變化能夠在一定程度上反映磨床主軸的健康狀態(tài)。

聲發(fā)射信號的采集由聲發(fā)射子系統(tǒng)完成。圖9 為砂輪與玻璃工件發(fā)生磨削干涉時(shí)采集到的聲發(fā)射信號及其幅值譜，采樣率為200kHz。從信號的時(shí)域波形上可以看出聲發(fā)射信號的隨機(jī)性強(qiáng)，特征識別和分析的難度較大。從信號的幅值譜上可以看到聲發(fā)射信號頻帶寬、頻率高，對監(jiān)測系統(tǒng)的采樣率有較高要求。

圖7 磨床試驗(yàn)現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.7 Grinder experiment scene photo

圖8 主軸Z向振動信號與分析Fig.8 Z–direction vibration signal and analysis of main shaft

圖9 聲發(fā)射信號及幅值譜Fig.9 Acoustic emission signal and amplitude spectrum

5 結(jié)論

超精密磨床是大量高效率加工合格的高精度大尺寸非球面的基本保障，而對加工質(zhì)量和加工效率的高要求使得實(shí)時(shí)監(jiān)控磨床的工作狀態(tài)成為必要。溫度、振動、聲發(fā)射等信號中蘊(yùn)含著豐富的關(guān)于磨床狀態(tài)的信息，利用這些信號可以實(shí)現(xiàn)對磨床加工狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。sbRIO 是一款功能強(qiáng)大的嵌入式測控套件，依托NI LabVⅠEW 的強(qiáng)大圖形功能可以快速開發(fā)功能強(qiáng)大的監(jiān)控系統(tǒng)。嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)成本大大降低，小巧的體積也使其能夠方便地布置于機(jī)床的內(nèi)部。使用FPGA 構(gòu)建的采集模塊能夠通過編程配置以適應(yīng)不同采集任務(wù)的需要而無需購買昂貴的采集板卡。本文依托廈門大學(xué)UPG80 超精密磨床構(gòu)建了一套嵌入式超精密磨床監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的溫度振動聲發(fā)射等信息，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理，并為振動主動控制、溫度誤差補(bǔ)償?shù)忍峁┗A(chǔ)。