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        数控机床振动测量和控制技术

                 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):卷板机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。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,卷板机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。

            2. 基于DAS加速度传感器估算TCP速度验证
          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,卷板机DAS加速度传感器主要安装在刀具中心点TCP的附近位置。
               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)。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
          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,卷板机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。来源:网络

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