數控機床運行狀態數據采集及數據處理技術研究

韓興國

（桂林航天工業高等專科學校機械工程系，廣西 桂林 541004）

通過幾個五年計劃的努力，我國的數控機床已有了很大的發展，數控技術正在向高速化、高精度、網絡化的方向發展。對數控機床生產廠家和用戶來說，擁有能夠直接或間接證明其數控機床運行是否平穩，對數控機床的運行狀態做出一個客觀、正確、公正、綜合的評價的檢測方法至關重要。特別是對數控機床生產廠家來說，若能在裝配聯機調試之前快速、準確的測知數控機床的運行狀態和運行精度，把數控機床出現故障的可能性在聯機調試之前發現并予以消除，將能極大提高數控機床的裝配調試效率。

1 數控機床運行狀態數據采集原理

1.1 光電編碼器

多數數控機床都裝有光電編碼器，它是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器，編碼盤直接裝在旋轉軸上，以測出軸的旋轉角度位置和速度變化，其輸出信號為電脈沖。

光電編碼器隨被測軸一起轉動，在光源的照射下，透過電碼盤和光柵板形成忽明忽暗的光信號，光敏元件把此光信號轉換成電信號，通過信號處理裝置的整形，放大等處理后輸出。輸出的波形有六路：，其中是A，B，Z的取反信號。A,B兩相的作用：根據脈沖的數目可得出被測軸的角位移，根據脈沖的頻率可得出被測軸的轉速，根據A，B兩相的相位超前滯后關系可判斷被測軸的旋轉方向。Z相信號可實現被測軸的周向定位和旋轉圈數計數。

1.2 數控機床運行狀態數據采集卡的設計

數控機床運行狀態數據采集卡的原理就是通過采集CNC伺服系統各軸交流電機光電編碼器的信號來計算數控機床各軸的運行位移、速度和加速度等運行狀態參量，并對這些運行狀態參量進行誤差分析和圖形處理，判斷數控機床的運行狀況是否正常。

數控機床運行狀態數據采集卡主要采用Atmel公司單片機AT89C55、計數芯片LS7266R1和CAN控制器SJA1000來實現，其系統原理圖如圖1所示。在圖1中放大隔離用電壓四差分比較器LM139實現，集成電路計數器用LS7266R1實現，中央處理器（CPU）采用單片機AT89C55，CAN控制器用Philips的SJA1000實現，光電隔離用6N137實現，CAN驅動器用PCA820C250實現。

圖1 基于89C55單片機數控機床運行狀態數據采集卡系統原理圖

該數據采集卡主要實現對數控機床X軸和Y軸運行狀態的采集，數控機床在運行過程中，其輸出量如 XA+、XA-、XB+、XB-、YA+、YA-、YB+、YB- 等，經過LS7266R1采樣、濾波、鑒相、倍頻、計數等處理后，通過內部數據總線傳遞到現場級中央處理器（CPU）AT89C55，AT89C55對數據做出判斷、計算、存儲、打包等處理后，再通過內部數據總線傳給CAN總線通信控制器SJA1000。如果總線忙，則等待；如果總線空閑，就通過CAN總線驅動器PCA82C250將信息發布到CAN總線上。

2 分布式數控機床遠程測控系統數據分析處理方法

2.1 數據處理技術

數據處理技術是指用計算機收集、記錄數據，經加工產生新的信息形式的技術。數據處理模塊把采集回來的數據處理后，保存到PC機數據庫中，通過對設備運行狀態數據進行分析，判斷設備運行是否正常。我們通常用的一些數據處理分析方法有最小二乘法、人工神經網絡及小波分析等。本文主要介紹最小二乘法在數控機床各軸運行狀態參量數據處理方面的應用。

2.2 X軸、Y軸平面內的圓弧插補運行狀態分析

在X軸、Y軸平面內沿逆時針方向進行圓弧插補，運用數控機床運行狀態數據采集卡對其進行實時性的數據采集，對光電編碼器輸出的信號進行濾波整形，鑒相倍頻，提取整個動作的信號，同時對兩路信號進行A/D轉換，對脈沖進行計數，并通過計算得出接收到每個脈沖之后的X軸、Y軸位移：x1、x2、x3、x4…… xn；y1、y2、y3、y4…… yn，由 Vxn=xn+1-xn/T，Vνn=yn+1-yn/T（T=1/Nf，f為光電編碼器的分辨率）可計算出X軸、Y軸的瞬時速度，把X軸、Y軸的瞬時速度和加速度繪制成圖如圖2所示。

圖2 X伺服軸和Y伺服軸的速度和加速度變

從圖2中可以看出，機床的運行狀態基本正常，但的確受到外界的干擾，通過對圓插補的運動信息進行濾波、誤差分析，得到其在理想狀態下的運動情況，以此來判斷數控機床在不同負載下的運動狀態是否正常。

2.3 最小二乘法濾波原理

最小二乘法通過最小化誤差的平方和找到一組數據的最佳函數匹配，令誤差之和為最小，通常用于曲線擬合。眾所周知，過1個點可有無數條直線，過2個不同的點可求出唯一的一條直線，過3個不同的點不能求出一條直線。顯然，過n(n>2)個不同的點(xi,yi)(i=1,2,3,…，n)能否求出一條直線的結論是否定的。在實際應用中，問題的提法降低為：能否求出一條回歸方程。

可以近似地描述這些點的變化趨勢就夠了。自然地，(xi,yi)到直線（1）應滿足點到直線的距離最短的條件。這使我們想起點到直線的距離公式

那么點(xi,yi)到直線（1）式的距離

考慮（4）式的幾何意義，它恰是(xi,yi)到直線（1）平行于Y軸的距離之和，兩邊平方，得：

圖3 經過最小二乘法處理后X伺服軸和Y伺服軸的速度和加速度變化圖

當數控機床進行圓插補時，通過最小二乘法對采集的位移點和速度點進行曲線擬合，可以得出更加準確地位移圖、速度圖。通過最小二乘法進行數據處理后，X軸、Y軸的瞬時速度如圖3所示變化。

2.4 理論分析

當機床工作在理想狀態時，其誤差應該是理論插補圓周（即內接多邊形各邊）上小范圍的波動。當數控機床進行圓插補時，我們可以采集到X軸，Y軸的運動信息，畫出其X軸和Y軸的速度和加速度變化圖（圖2），從圖2中可以看出：X和Y工作臺的運動速度和加速度在每一個瞬時均有急劇的速度和加速度毛刺，這是因為動力學系統只要速度發生變化，系統的震動是不可避免的。根據運動學分析，處于與坐標軸相交位置的各點，其兩軸中必有一個軸的瞬時速度為零加速度最大，另一個軸的瞬時速度最大加速度最小，這時兩軸的電機處于正反轉臨界點。從動力學的角度來看，由于速度和加速度的瞬變產生較大的慣性力，而在兩軸插補的過程中，盡管X、Y兩軸合成速度恒定，但X、Y軸的速度加速度分量都在不斷改變，因此產生頻率較高的瞬變的慣性力，導致同一時刻的兩軸的受力狀況不相同，結果引起實際插補產生許多較大的毛刺。經過最小二乘法濾波處理后，從X軸和Y軸的速度和加速度變化圖（如圖3）中可以看出，X、Y兩軸的速度和加速度圖毛刺減小，部分干擾信號消除，圖形得到較大程度的還原。

3 結束語

本文在數控系統實驗平臺下對圓弧插補的軌跡進行位移數據的采集，計算出X軸和Y軸的瞬時速度和加速度，利用最小二乘法對瞬時速度和加速度進行數據處理濾波，去除外部干擾，繪制出準確的瞬時速度和加速度圖，可依此對數控機床的運行狀態做出一個客觀、公正的評價。這種檢測數控機床運行狀態的方法也可以用于直線插補、螺紋加工及任意組合運動軌跡，還能判斷三軸和多軸數控機床的運行狀態。

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