無傳感器技術在伺服進給系統中的應用

丁求啟，李仁龍，陶 敏

（中國衛星海上測控部 江蘇 江陰 214431）

無傳感器技術在伺服進給系統中的應用

丁求啟，李仁龍，陶 敏

（中國衛星海上測控部 江蘇 江陰 214431）

針對傳統數控機床故障檢測技術難以及時發現潛在的設備問題，采用無傳感器檢測技術，利用工業計算機PCI接口插槽內插多種數據采集板卡的硬件結構，建立了一套機床信息采集測試系統，并在X/Y兩軸數控工作臺上進行了實驗驗證，結果表明該技術能夠及時的發現機床故障，克服了傳統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。

數控機床；伺服進給系統；無傳感器技術；角度誤差

數控機床一般工作在大載荷，高速度，高加速度等復雜工況下，振動，沖擊，變形等直接作用于數控機床的進給系統，對導軌，絲杠，軸承，聯軸器，渦輪，蝸桿等產生不良影響，造成數控機床加工精度降低，甚至造成意外停機，一旦發生上述故障，其造成的經濟損失是難以估量的[1]。因此對數控機床運動精度，扭矩和潤滑狀態等進行適時檢測，提取有用的信號特征，建立誤差模型，對于揭示數控機床機能退化和故障探源，以及提高數控機床運行效率，保證零件加工質量都有著至關重要的意義[2]。基于此，文中提出了一種利用無傳感器測試技術對數控機床伺服進給系統進行快速精度檢測的方法，以評價機床伺服進給軸的運動狀態與特性。

1 無傳感器測試原理和技術

數控機床伺服進給系統是以位置（或角度）為控制對象的自動控制系統[3]，它接受CNC裝置插補計算產生的進給脈沖信號，經變換和功率放大后驅動各坐標軸帶動工作臺和刀具運動，通過若干坐標軸的聯動，使刀具相對工件產生各種復雜的機械運動，從而實現各種輪廓形狀的加工。雖然機床的設計有多種，但其進給傳動裝置的結構大多相同[4]（圖1）。通常情況下，滾珠絲杠用于實現伺服電機旋轉運動到工作臺

線性運動的轉變。絲杠的軸承承受工作臺傳來的軸向力。伺服電動機和滾珠絲杠直接通過聯軸器來進行聯接。伺服進給系統有位置信號和電流信號的測試元件，其控制系統內部還存在多種控制與反饋信息，因此，數控機床伺服進給系統本身就是一個豐富的信息源。利用機床伺服進給系統內部存在的位置、電流測試元件和指令控制等機床本體信息，通過研究相應的信息獲取手段，測試和數據分析方法，可以實現對數控機床伺服進給系統的狀態監測和性能評估診斷。相對于安裝外置傳感器的傳統方法，這種利用機床伺服進給系統本身信息進行測試的方法為無傳感器技術[5]。對于開放式數控系統而言，由于其體系結構和數據接口的開放性，可通過開發通用的數據采集系統對光柵信號、編碼器信號以及電流信號進行直接采集，從而獲取機床運行的狀態。

2 無傳感器檢測系統硬件設計

針對檢測的機床信號主要有光柵信號、電機編碼器信號、伺服電機扭矩、電流等信號，根據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。本系統針對這3種信號采用3種不同的數據采集板卡與計算機一塊構成數據采集系統的硬件平臺如圖2所示，整個系統的量程、通道數、采樣間隔都是可編程控制的。

圖1 伺服進給系統基本組成Fig. 1 Structure diagram of the servo driving system

圖2 檢測系統硬件結構圖Fig. 2 Structure diagram of the hardware system

2.1 方波計數卡

方波信號計數器采集板卡采用PCI-1784四軸計數器卡，該卡采樣頻率最高可達8 MHz，擁有四級數字濾波器，可防止光柵或編碼器因機床振動而產生信號跳變導致的誤計數；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據基礎；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位加減同步計數；支持A /B相碼盤信號輸入；數據鎖存時間高達0. 02 s。

2.2 正弦波計數卡

對于輸出形式為正弦信號的光柵尺和編碼器的信號采集，由于目前數控機床廠商采用較廣泛的是德國海德漢(HEIDENHAIN)公司生產的光柵尺和編碼器，為了使測試系統具有較廣泛的適用性，課題組選用了德國海德漢公司生產的專用的IK220 PCI計數采集卡來對正弦信號制式的光柵尺和編碼器信號進行采集。

2.3 模數轉換卡

對于振動傳感器和電流傳感器輸出的模擬信號的采集，為了能直接被計算機處理，需要經過A/D轉換，本文選用PCI-1712L卡，該數據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的增益碼，完成不同量程、不同極性的設置，采集不同范圍的信號，以獲得更高的采集精度。

3 無傳感器檢測系統軟件設計

檢測系統軟件采用VC++6.0集成開發編譯環境，它是支持C++面向對象語言的一個經典開發環境。該系統是基于Windows多任務操作平臺的多種數據信號采集系統，各個子模塊可分別完成自己的功能，系統很好的解決了底層模塊和上層模塊之間的協調工作，充分發揮了Windows的優點，運行穩定。圖3表示了數據采集系統總的軟件層次結構圖。可以看出，在數據采集系統軟件運行過程中，上層應用程序和底層驅動程序并不獨立，而是通過相互之間的通信函數來實現數據從板卡緩存或寄存器到計算機內存的傳輸。在Windows XP 下，因為操作系統將程序分為用戶態程序和核心態程序兩類，應用程序不能直接訪問硬件，只能通過訪問作為操作系統一部分的設備驅動程序與硬件交換數據。板卡驅動程序成功安裝后，作為操作系統的信任部分，驅動程序提供了連接到計算機硬件的軟件接口。應用程序是數據采集系統的頂層控制工具，用戶通過應用程序來操作數據采集卡，通過應用程序提供的用戶界面，用戶可以執行諸如保存系統設置，執行用戶的相應操作，保存所采集到的數據等操作。

圖3 檢測系統軟件結構圖Fig. 3 Structure diagram of the software system

本測試系統采用PC機為主控中心，操作系統為Windows XP，并安裝了Microsoft公司提供的SP3補丁程序組。軟件開發編譯環境是Microsoft Visual C++6.0，該編譯環境可以很好的控制PCI1712L、PCI1784、IK220，利用MFC提供的基礎類庫和硬件板卡的驅動程序，可以高效率的開發可用的實驗專用軟件；同時Windows標準控件可以讓檢測系統軟件與操作系統界面完美的融為一體，更加符合用戶的使用習慣，方便用戶操作。

采集板卡的預定義函數封裝有兩種形式，即動態鏈接庫(dll)和靜態鏈接庫(lib)，出于對系統性能和資源消耗的優化，軟件中我們采用導入動態鏈接庫的辦法。軟件基本框架是基于單文檔/視圖結構的，避免了多文檔/視圖結構開發的繁雜，其中數據采集界面如圖4所示。

4 無傳感器測試實驗

圖4 系統軟件界面Fig. 4 Interface chart of the system

試驗研究對象是如圖5所示的高精度X-Y工作臺。該系統是一個全數字交流伺服開放式數控系統，帶有平臺的X軸安裝在Y軸上，從而構成兩軸兩聯動數控工作臺，它是典型的高精度運動控制的對象。各坐標軸的驅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和放大器來實現的。滾珠絲杠的導程是5 mm，線數是單線的，工作臺是由滾動導軌支撐的。為了保持高剛度和無間隙連接，對滾珠絲杠和滾動導軌施加了合適的預載荷。伺服電動機尾部安裝盒內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，位置反饋值被數據采集系統的方波編碼器信號計數采集模塊所記錄，用來分析X-Y工作臺的運動精度。位置控制是采用工業控制計算機內插的美國Delta公司的pmac運動控制卡來實現。

為了便于進行誤差分離，數控機床測試實驗分別在全閉環和半閉環控制條件下進行。當在全閉環位置控制下進行測試時，無傳感器數據不僅包含許多重要的故障信息，這些故障可能是機械故障、電氣故障，也可能是機械與電氣的耦合故障[6]。若故障源是單一的，可以借助于先進的信號處理和特征提取方法進行故障溯源。但是，若故障是電氣耦合故障，顯然很難進行故障分離與溯源。因此，可通過設置數控機床相關參數，使機床工作在半閉環位置控制下，此時光柵尺可作為獨立的第三方檢測工具進行測量。測試結果大大降低了機械與電氣耦合帶來的影響。當在半閉環位置控制下進行測試時，作為位置檢測的工作臺光柵尺信號并不被引入數控系統與指令位置進行比較，因此，減小了工作臺的機械誤差被機床電氣環節放大的可能性。

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

4.1 X-Y數控工作臺單軸直線實驗結果與分析

從圖6（a）可以看出隨著X軸位移每隔5 mm就有一個規律的周期性振動，這正好和數控工作臺滾珠絲杠導程是一致的，可以判斷是聯軸器安裝存在偏心，導致伺服電機帶動滾珠絲杠轉一圈就有一個周期性振動。關于圖中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。可以看出在位移為100 mm時，XEAD的值為107μm，由此可計算的光柵尺與絲杠之間夾角為2.65°。從圖6（b）中可以看出在閉環控制下，仍然存在聯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差值并不能由閉環補償消除。同時，由于引入了機械部分參與控制，工作臺潤滑狀況惡劣，絲杠形成磨損后，導致工作臺運動時機械磕碰比較多，所以反映到信號圖譜上，毛刺就比較多。

4.2 X-Y數控工作臺兩軸聯動圓實驗結果與分析

從圖7中可以看出圓度測試與理論推算嚴格符合，在作圓軌跡運動時，順時針時半徑誤差將在一三象限角平分線處取極值，實際軌跡呈現出經典的斜8字形，實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動時存在間隙所造成的；半閉環和全閉環條件下，振動現象還是十分明顯，這是由于絲杠和電機由聯軸器連接時不對中造成的偏心引起的振動。

圖6 XEAD/位移對應曲線圖Fig. 6 XEAD/position curves

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

5 結 論

文中提出了一種無傳感器測試技術可以對數控機床伺服進給系統進行快速精度檢測，評價機床伺服進給軸的運動狀態與特性。利用工業計算機PCI接口插槽內插多種數據采集板卡的硬件結構，建立了一套機床信息采集測試系統。通過實驗給出了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，發現了X/Y兩軸數控工作臺的X軸光柵安裝時和滾珠絲杠存在2.65°的角度誤差。

[1]熊軍.數控機床原理與結構[M].北京：人民郵電出版社,2007.

[2]洪邁生,蘇恒.數控機床運動誤差檢測技術[J].組合機床與自動化加工技術,2002(1):18-23．

HONG Mai-sheng,SU Heng. CNC machine error motion measurement review[J].Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique, 2002(1):18-23.

[3]徐衡.數控機床故障診斷[M].北京：化學工業出版社,2005.

[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]李誠人.數控技術的現狀與展望[J].現代制造工程,2008(4):129-134．

LI Cheng-ren. Status and prospects of CNC technology[J]. Modern Manufacturing Engineering, 2008(4):129-134.

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。