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數控機床振動(dòng)測量和控制技術(shù)
作者：
時(shí)間：2013-03-04
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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隨著(zhù)模具行業(yè)、航空制造業(yè)對加工速度、加工精度和表面質(zhì)量的要求愈來(lái)愈高以及高速加工技術(shù)的發(fā)展，數控機床和機器人制造商面臨著(zhù)如何在實(shí)現較高加工速度的同時(shí)保證加工精度和表面質(zhì)量的課題。
一般而言，數控機床的振動(dòng)和震動(dòng)有細微但很明確的區別（如圖1）：在電機帶寬以?xún)鹊牡皖l運動(dòng)通常稱(chēng)之為振動(dòng)，可以在保持機械結構不變的前提下進(jìn)行消除和抑制；高于電機帶寬的高頻運動(dòng)通常稱(chēng)之為震動(dòng)，往往需要對機械結構進(jìn)行修改，增加機械的剛性達到減輕振動(dòng)的目的。數控機床或機器人的振動(dòng)能夠增加工件加工時(shí)間、降低表面質(zhì)量甚至精度。
圖1. 振動(dòng)和震動(dòng)的區別
本文將以五軸數控機床為例，重點(diǎn)介紹基于加速度傳感器對高速數控機床進(jìn)行振動(dòng)控制的新技術(shù)。
1. DAS（Direct Acceleration Sensor）加速度傳感器
傳統中采用慣性測量單元（IMU，Inertial Measurement Unit）可以進(jìn)行慣性乃至振動(dòng)的測量。但是，由于慣性測量單元的尺寸較大、成本較高以及測量頻率范圍過(guò)窄而難以用于數控機床和機器人行業(yè)。采用DAS加速度傳感器可以很好的適應數控機床應用，它具有尺寸緊湊（約100x100x30 mm）和測量頻率范圍近于電機頻率（約100 Hz）以及占用數控機床整機的成本較?。s占整機成本5%）等特點(diǎn)。同時(shí)，由于采用以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)，DAS加速度傳感器的數據采集頻率約為100 Mb/s，可以滿(mǎn)足數控系統對采樣周期的較高要求。
在硬件結構上，DAS加速度傳感器采用大量的平面線(xiàn)性加速度計進(jìn)行排列，能夠進(jìn)行直線(xiàn)加速度和角加速度的測量，可測量軸數達6個(gè)。 在軟件功能上，DAS加速度傳感器中有豐富的DAS API庫函數，能夠通過(guò)Ethernet UDP和簡(jiǎn)單的客戶(hù)/服務(wù)器協(xié)議與計算機進(jìn)行通訊，允許用戶(hù)在Windows和Linux下開(kāi)發(fā)多種應用，完成較為復雜的工作。 
圖2. DAS加速度傳感器
2. 基于DAS加速度傳感器估算TCP速度驗證
通過(guò)加速度傳感器的DAS API庫，可以對采集到的加速度傳感器的加速度信息進(jìn)行貝葉斯估算和傳感器融合算法進(jìn)行刀具中心點(diǎn)TCP速度的估算。為驗證加速度傳感器對TCP速度估算的有效性，特進(jìn)行實(shí)驗測試。在數控機床運行中，通過(guò)DAS加速度傳感器將刀具中心點(diǎn)TCP的加速度讀取到Orchestra運動(dòng)控制平臺中進(jìn)行速度估算，將此估算的結果與激光跟蹤儀測量的結果進(jìn)行對比，已達到驗證基于加速度傳感器估算TCP速度的有效性（實(shí)驗模型如圖3）。需要注意的是，DAS加速度傳感器主要安裝在刀具中心點(diǎn)TCP的附近位置。 
圖3. 基于加速度傳感器估算TCP速度可行性驗證
在數控機床執行菱形運動(dòng)軌跡時(shí)，分別通過(guò)DAS加速度傳感器估算TCP速度和激光跟蹤儀在線(xiàn)測量TCP速度，測試條件為加速度值7 m/s^2，加加速度值80 m/s^3，進(jìn)行結果對比如圖4（藍線(xiàn)-加速度傳感器貝葉斯估算和融合算法，綠線(xiàn)-僅采用旋轉編碼器估算速度，紅線(xiàn)-激光干涉儀測量的真實(shí)速度）。
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