数控机床振动测量和控制技术

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随着模具行业、航空制造业对加工速度、加工精度和表面质量的要求愈来愈高以及高速加工技术的发展，数控机床和机器人制造商面临着如何在实现较高加工速度的同时保证加工精度和表面质量的课题。　　一般而言，数控机床的振动和震动有细微但很明确的区别(如图1)：在电机带宽以内的低频运动通常称之为振动，可以在保持机械结构不变的前提下进行消除和抑制;高于电机带宽的高频运动通常称之为震动，往往需要对机械结构进行修改，增加机械的刚性达到减轻振动的目的。数控机床或机器人的振动能够增加工件加工时间、降低表面质量甚至精度。
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　　图1. 振动和震动的区别

　　本文将以五轴数控机床为例，重点介绍基于加速度传感器对高速数控机床进行振动控制的新技术。
　　1. DAS(Direct Acceleration Sensor)加速度传感器
　　传统中采用惯性测量单元(IMU，Inertial Measurement Unit)可以进行惯性乃至振动的测量。但是，由于惯性测量单元的尺寸较大、成本较高以及测量频率范围过窄而难以用于数控机床和机器人行业。采用DAS加速度传感器可以很好的适应数控机床应用，它具有尺寸紧凑(约100x100x30 mm)和测量频率范围近于电机频率(约100 Hz)以及占用数控机床整机的成本较小(约占整机成本5%)等特点。同时，由于采用以太网(Ethernet)技术，DAS加速度传感器的数据采集频率约为100 Mb/s，可以满足数控系统对采样周期的较高要求。
　　在硬件结构上，DAS加速度传感器采用大量的平面线性加速度计进行排列，能够进行直线加速度和角加速度的测量，可测量轴数达6个。 在软件功能上，DAS加速度传感器中有丰富的DAS API库函数，能够通过Ethernet UDP和简单的客户/服务器协议与计算机进行通讯，允许用户在Windows和Linux下开发多种应用，完成较为复杂的工作。
　　
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　　图2. DAS加速度传感器

　　2. 基于DAS加速度传感器估算TCP速度验证
( w8 I6 f2 j8 m* q. C" i　　通过加速度传感器的DAS API库，可以对采集到的加速度传感器的加速度信息进行贝叶斯估算和传感器融合算法进行刀具中心点TCP速度的估算。为验证加速度传感器对TCP速度估算的有效性，特进行实验测试。在数控机床运行中，通过DAS加速度传感器将刀具中心点TCP的加速度读取到Orchestra运动控制平台中进行速度估算，将此估算的结果与激光跟踪仪测量的结果进行对比，已达到验证基于加速度传感器估算TCP速度的有效性(实验模型如图3)。需要注意的是，DAS加速度传感器主要安装在刀具中心点TCP的附近位置。
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　　图3. 基于加速度传感器估算TCP速度可行性验证

　　在数控机床执行菱形运动轨迹时，分别通过DAS加速度传感器估算TCP速度和激光跟踪仪在线测量TCP速度，测试条件为加速度值7 m/s^2，加加速度值80 m/s^3，进行结果对比如图4(蓝线-加速度传感器贝叶斯估算和融合算法，绿线-仅采用旋转编码器估算速度，红线-激光干涉仪测量的真实速度)。
　　
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　　图4. 基于加速度传感器估算TCP速度可行性验证结果

　　如实验所得结果图4所示，采用加速度传感器贝叶斯估算和融合算法估算得出的TCP速度值能够较为准确的反应机床TCP的实际运动速度。
　　3. 采用加速度传感器进行数控机床的振动控制
- H& S+ j# l" Q/ l: |7 Q( J) S) X　　目前，绝大多数通用数控系统中不包含有效的振动控制功能。Orchestra开放式控制系统平台能够通过PC接口与通用数控系统进行通讯，将DAS加速度传感器测量得到的机床振动信息进行处理和补偿，传送给数控系统进行振动的控制。其中，Orchestra平台具备各类接口，能够完成不同硬件和传感器的通讯工作，如与DAS、电机旋转编码器、通用数控系统的接口等。
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　　图5. 数控机床振动控制原理框图

　　基于图5的配置，针对框架式龙门加工机床进行振动控制系统的验证。此时，DAS安装在刀具中心点附近，如图6。为验证振动控制方案的有效性，按照如下步骤进行矩形钣金件的加工：
7 @, n+ ^# r( i, c/ a$ P　　1) 标准测试，不采用振动控制方案：基于加速度4 m/s^2，加加速度50 m/s^3，加工精度要求为±30 µm
2 n5 t2 V0 p* K( C; @  a) V8 l$ ^　　2) 高动态测试，不采用振动控制方案：基于加速度7 m/s^2，加加速度125 m/s^3，加工精度要求为±30 µm
  F$ \5 S. _" Y* s5 f　　3) 高动态测试，采用振动控制方案：基于加速度7 m/s^2，加加速度125 m/s^3，加工精度要求为±30 µm
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　　图6. DAS加速度传感器安装于TCP附近

　　根据设定条件下分别进行三个实验，使用激光跟踪仪对加工轨迹进行实时采集，可得到如图7的实验结果。
　　
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　　图7. 不同机床参数条件下机床运动位移和时间的关系

　　4. 结论
. @; W5 Q. L) d1 c1 U. ~& L) A- n　　从图7的实验结果中可以得出如下结论：
　　1) 提高机床的加速度、加加速度等动态性能，会增加机床的振动甚至影响加工精度。
9 r  M: c% |  d- y! t. y9 s8 z4 a　　2) 采用基于加速度传感器的振动控制方案，能够在提高机床动态性能的基础上(加速度增加50%，加加速度增加150%)，提高机床的加工效率达15%，在提高表面质量的同时不降低加工精度。
　　最终，通过采集加速度传感器的测量信息并在Orchestra控制系统平台下开发的振动控制方案能够在不降低加工精度的前提下，提升数控机床的加工效率和表面质量。同时，振动控制方案也可以应用于各种工业机器人，改善其在高速运动下的动态特性。