基于DSP運動(dòng)控制器的絲杠副動(dòng)態(tài)誤差測控系統

摘要：在分析絲杠動(dòng)態(tài)誤差測量基本原理的基礎上，簡(jiǎn)述了基于DSP運動(dòng)控制器的比杠副動(dòng)態(tài)誤差測控系統，并開(kāi)發(fā)了計算機輔助自動(dòng)分析測控軟件，該軟件具有良好的人機操作界面。系統實(shí)現了絲杠的自動(dòng)測量、自動(dòng)分析、自動(dòng)精度驗收評定，檢測效率高、操作性強、性能穩定可靠。關(guān)鍵詞：DSP運動(dòng)控制器 開(kāi)放式伺服系統 光柵尺 絲杠副動(dòng)態(tài)測量 滾珠絲杠副是一種高精度、高效率的傳動(dòng)機構。絲杠的精度檢測是絲杠加工中的重要一環(huán)，它直接影響到絲杠系列產(chǎn)品的精度和質(zhì)量。目前常規的絲杠檢測方法主要有動(dòng)態(tài)測量與靜態(tài)測量?jì)煞N。其中，動(dòng)態(tài)測量較傳統的靜態(tài)測量具有測量精度高、復雜性好、效率高、檢測人員勞動(dòng)強度低、檢測自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在一些大批量、規?；z杠系列的生產(chǎn)與安裝調試場(chǎng)合，動(dòng)態(tài)測量已基本取代了靜態(tài)測量，成為絲杠檢測的主要手段。本文結合科研項目開(kāi)發(fā)了基于DSP運動(dòng)控制器的絲杠副動(dòng)態(tài)測控系統，使絲杠副檢測的效率得到了提高，使用效果良好。 1 絲杠動(dòng)態(tài)誤差測量系統基本原理 絲杠動(dòng)態(tài)測量是指絲杠在回轉中連續測量絲杠螺距誤差和螺旋線(xiàn)誤差，并自動(dòng)記錄下誤差值。與靜態(tài)測量相比，動(dòng)態(tài)測量具有精度高、測量速度快的優(yōu)點(diǎn)，并且可大大減輕勞動(dòng)強度。 絲杠動(dòng)態(tài)測量的基本工作原理是通過(guò)絲杠的實(shí)際螺旋線(xiàn)與標準螺旋線(xiàn)相比較來(lái)求得被測絲杠的螺旋線(xiàn)誤差。圖1給出了被測絲杠的螺旋線(xiàn)誤差示意圖。 螺旋線(xiàn)誤差Δ可由式（1）求得： Δ=Z-（θ/2π）/T （1） 其中，Z——測量頭沿絲杠軸線(xiàn)方向的行程 T——被測絲杠的導程θ——被測絲杠轉過(guò)的角度 本測量系統采用“同步位移絕對值比較法”進(jìn)行測量，其原理如圖2所示。具體方法為：記數卡以一定采樣間隔同步采集角位移信號和測頭軸向位移信號，通過(guò)記數卡本身所具有的信號處理系統將兩路信號進(jìn)行高倍數電子細分后傳送給計算機系統，再由相應的軟件將信號轉換為位移量，通過(guò)計算機實(shí)時(shí)處理計算出絲杠誤差值。兩路信號在計算機處理之間未發(fā)任何聯(lián)系，通過(guò)計算機處理使使它們成為絲杠螺旋線(xiàn)的角度基準量和軸向位移量，并通過(guò)比較計算出誤差值。 2 絲杠副動(dòng)態(tài)測控系統硬件 2．1 基于DSP的驅動(dòng)控制器MCT8000F4簡(jiǎn)介 深圳摩信科技公司的MCT8000系列智能運行控制器包括主控制板、接口板以及控制軟件等，具有開(kāi)放式結構、高速、高精度、網(wǎng)際在線(xiàn)控制、多軸同步控制、可重構、高度集成、高度可靠和安全等特點(diǎn)，是新一代開(kāi)放式結構的高性能可編程運動(dòng)控制器。 根據系統需要選用MCT8000F4四軸運動(dòng)控制器。圖3為DSP多軸運動(dòng)器的硬件原理圖。圖中增量編碼器的A0（/A0）、B0（/B0）、C0（/C0）信號作為位置反饋信號，運動(dòng)控制器通過(guò)中倍頻、加減計數器得到實(shí)際的位置，實(shí)際位置信息被存在位置寄存器中，計算機可以通過(guò)控制寄存器進(jìn)行讀取。運動(dòng)控制器的目標位置通過(guò)數據采集系統得到，并由計算機進(jìn)行計算得到位置誤差值，再經(jīng)過(guò)加減速控制和數字濾波后送到D/A轉換器（DAC）、運算放大器、脈寬調制器（PWM）等硬件處理電路，處理后輸出伺服電機的控制信號或PWM信號。各個(gè)控制軸可以獨立完成伺服控制，并能夠實(shí)現插補控制。圖3MCT8000F4運動(dòng)控制器具有如下特征： %26;#183;網(wǎng)際浮動(dòng)式操作界面，方便遠程在線(xiàn)、多系統協(xié)調作業(yè)，支持遠程調試和故障診斷； %26;#183;開(kāi)放式結構，可隨意增加外部傳感器，擴展系統功能； %26;#183;高可靠性雙CPU結構，下位機可脫離上位機工作； %26;#183;每軸10μs的高伺服更新速度，可直接控制DD（Direct Drive）臂機器人和高速直線(xiàn)電機； %26;#183;優(yōu)良有軟硬件重構特性，便于技術(shù)升級和維護； %26;#183;兼容性好，配備摩集科技公司生產(chǎn)的運動(dòng)控制模塊，可以控制多種機器人、數控機床以及其它過(guò)程控制系統。圖4MCT8000F4運動(dòng)控制器技術(shù)參數為： %26;#183;四通道0～2MHz的正負步進(jìn)脈沖輸出，作為正負方向控制信號。 %26;#183;四通道12位模擬量輸出，輸出范圍為-10V～+10V，工作頻率為100kHz。 %26;#183;四通道光電編碼器接口，24位計數器，計數頻率17MHz，差動(dòng)或單端輸入，Index信號，內部數字濾波。 %26;#183;與主機連接方式：標準PCI總線(xiàn)高速接口。 %26;#183;支持單主機多塊控制板同時(shí)工作。 %26;#183;操作系統：Windows 95/98/NT/Linux。2．2 絲杠副動(dòng)態(tài)誤差測控系統組成 絲杠副動(dòng)態(tài)誤差測控系統硬件構成如圖4所示，主要包括以下幾個(gè)部分：（1）光柵測長(cháng)、磁柵測角部分；（2）溫度采集部分；（3）尾架補償部分；（4）誤差顯示與輸出部分；（5）主計算機控制部分；（6）主軸交流伺服電機驅動(dòng)部分。系統采用模塊化設計，各部件選用獨立功能模塊，通過(guò)計算機控制組合，大大簡(jiǎn)化了系統設計，增加了可靠性，縮短了設計周期，增強了系統的靈活性。 根據系統對主軸轉速穩定可調的要求，主軸伺服電機控制系統采用上、下位機控制方式。上位機選用研祥工控機，該工控機不但作為上位伺服控制級，同時(shí)也作為絲杠動(dòng)態(tài)誤差測控系統的控制主機。下位機選用深圳摩信公司生產(chǎn)的基于DSP技術(shù)的四軸運動(dòng)控制器MCT8000F4作為下位伺服控制器，實(shí)現伺服系統的速度和位置控制。上、下位機通過(guò)總線(xiàn)形式連接，實(shí)現高速數據傳輸及控制。這是一種以PC機作為信息處理平臺、將運動(dòng)控制器以插卡形式嵌入PC機的伺服控制系統，即“PC機+運動(dòng)控制器”模式的開(kāi)放式億噸服控制系統。它將PC機的信息處理能力和開(kāi)放式的特點(diǎn)與運動(dòng)控制器的運動(dòng)軌跡控制能力有機地結合在一起，具有信息處理能力強、開(kāi)放程度高、運動(dòng)軌跡控制準確、通用性好的特點(diǎn)。 絲杠副動(dòng)態(tài)誤差測控系統數據采集系統結構如圖5所示。在系統中，主軸轉動(dòng)采用交流伺服電機作為拖動(dòng)元件并由運動(dòng)控制器控制電機運行來(lái)實(shí)現，這種辦法還可以進(jìn)行速度調節。電機經(jīng)過(guò)機械傳動(dòng)裝置驅動(dòng)主軸，圓磁柵安裝于傳動(dòng)主軸上，測量時(shí)由撥盤(pán)帶動(dòng)被測絲杠和圓磁柵同步轉動(dòng)，絲杠旋轉時(shí)由帶動(dòng)頭帶動(dòng)螺母小車(chē)沿導軌做軸向運動(dòng)，光柵尺傳感器的讀數頭隨測量頭和螺母小車(chē)做軸向移動(dòng)。 3 絲杠副動(dòng)態(tài)測控系統軟件 3．1 軟件系統模塊結構系統的軟件功能包括：初始化、編碼器信號接收處理、控制算法計算、調速系統檢測與監控、與控制級的聯(lián)絡(luò )及信息交換、自檢與保護。初始化模塊在運動(dòng)控制器開(kāi)始工作之前進(jìn)行參數的設定、設備的診斷、伺報組件的啟動(dòng)及設置，最后進(jìn)入正常工作。光電編碼器的信號通過(guò)反饋通道接口卡進(jìn)行整形、濾波與計數后，實(shí)現速度、位置信號的檢測。為了便于控制算法計算及增加信號的可靠性，需進(jìn)行速度信號、位置信號的預處理，得到的信號分別存在速度信號緩沖區和位置信號緩沖區。這就是編碼器信號接收處理模塊要做的工作?？刂扑惴ㄓ嬎隳K根據得到的速度給定信號、位置速度反饋信號進(jìn)行校正計算，結果存入輸出緩沖區，啟動(dòng)信息交換模塊，將速度反饋信號發(fā)送到上位計算機。聯(lián)絡(luò )及信息交換模塊的主要任務(wù)是接收上位機送來(lái)的命令與數據，進(jìn)行命令處理及數據處理與保存，根據需要向下位機伺服控制級發(fā)送有關(guān)信息。 本系統軟件以VB為開(kāi)發(fā)工具，圖6為軟件模塊結構。系統設計了測量信息數據庫、精度標準數據庫及數據庫管理軟件，用于保存絲杠的參數信息、動(dòng)態(tài)測量原始數據、誤差評定結果、精度等級評定結果等。 3．2 主要軟件模塊流程圖 動(dòng)態(tài)誤差測量模塊流程圖見(jiàn)圖7。動(dòng)態(tài)誤差測量模塊由參數輸入模塊輸入用戶(hù)參數，包括絲杠參數、采集參數，并判斷參數的合理性。動(dòng)態(tài)誤差測量模塊具有以下功能：根據輸入參數計算主軸轉速和采樣周期；控制電機驅動(dòng)主軸轉動(dòng)使絲杠按給定速度轉動(dòng)；數據采集，包括長(cháng)光柵、圓磁柵、溫度、尾架補償量；進(jìn)行實(shí)時(shí)的誤差計算與誤差補償，計算出導程誤差；顯示誤差曲線(xiàn)，并可在記錄儀上給出誤差曲線(xiàn)；測量結束后將所測數據存入數據庫或數據文件。 動(dòng)態(tài)誤差分析模塊流程圖見(jiàn)圖8。誤差分析采用最小二乘法求出回歸系數，用行程精度四大精度指標Ea、Vup、V2π、V300反映各誤差量。本文分析了絲杠導程誤差的動(dòng)態(tài)測量原理，研究了基于DSP運動(dòng)控制器的絲框副動(dòng)態(tài)誤差測量控系統軟、硬件設計方案，實(shí)現了絲杠的自動(dòng)測量、自動(dòng)分析，并實(shí)現按最新國標進(jìn)行了滾珠絲杠副導程誤差四大精度指標Ea、Vup、V2π、V300的自動(dòng)計算與精度驗收評定，使滾珠絲杠和滾珠絲杠副檢測的效率得到提高，儀器操作性更強，性能更加穩定可靠。同時(shí)建立了絲杠精度標準數據庫及絲杠測量數據庫，方便了數據的查詢(xún)與管理，可為工廠(chǎng)的自動(dòng)化管理提供有效的幫助