隨著模具行業(yè)、航空制造業(yè)對加工速度、加工精度和表面質(zhì)量的要求愈來愈高以及高速加工技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人制造商面臨著如何在實現(xiàn)較高加工速度的同時保證加工精度和表面質(zhì)量的課題。

一般而言，數(shù)控機(jī)床的振動和震動有細(xì)微但很明確的區(qū)別（如圖1）：在電機(jī)帶寬以內(nèi)的低頻運動通常稱之為振動，可以在保持機(jī)械結(jié)構(gòu)不變的前提下進(jìn)行消除和抑制；高于電機(jī)帶寬的高頻運動通常稱之為震動，往往需要對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，增加機(jī)械的剛性達(dá)到減輕振動的目的。數(shù)控機(jī)床或機(jī)器人的振動能夠增加工件加工時間、降低表面質(zhì)量甚至精度。

圖1. 振動和震動的區(qū)別

本文將以五軸數(shù)控機(jī)床為例，重點介紹基于加速度傳感器對高速數(shù)控機(jī)床進(jìn)行振動控制的新技術(shù)。

 

1.    DAS（Direct Acceleration Sensor）加速度傳感器

傳統(tǒng)中采用慣性測量單元（IMU，Inertial Measurement Unit）可以進(jìn)行慣性乃至振動的測量。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窄而難以用于數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人行業(yè)。采用DAS加速度傳感器可以很好的適應(yīng)數(shù)控機(jī)床應(yīng)用，它具有尺寸緊湊（約100x100x30 mm）和測量頻率范圍近于電機(jī)頻率（約100 Hz）以及占用數(shù)控機(jī)床整機(jī)的成本較小（約占整機(jī)成本5%）等特點。同時，由于采用以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)，DAS加速度傳感器的數(shù)據(jù)采集頻率約為100 Mb/s，可以滿足數(shù)控系統(tǒng)對采樣周期的較高要求。

在硬件結(jié)構(gòu)上，DAS加速度傳感器采用大量的平面線性加速度計進(jìn)行排列，能夠進(jìn)行直線加速度和角加速度的測量，可測量軸數(shù)達(dá)6個。 在軟件功能上，DAS加速度傳感器中有豐富的DAS API庫函數(shù)，能夠通過Ethernet UDP和簡單的客戶/服務(wù)器協(xié)議與計算機(jī)進(jìn)行通訊，允許用戶在Windows和Linux下開發(fā)多種應(yīng)用，完成較為復(fù)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)行實驗測試。在數(shù)控機(jī)床運行中，通過DAS加速度傳感器將刀具中心點TCP的加速度讀取到Orchestra運動控制平臺中進(jìn)行速度估算，將此估算的結(jié)果與激光跟蹤儀測量的結(jié)果進(jìn)行對比，已達(dá)到驗證基于加速度傳感器估算TCP速度的有效性（實驗?zāi)Ｐ腿鐖D3）。需要注意的是，DAS加速度傳感器主要安裝在刀具中心點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(shù)控機(jī)床執(zhí)行菱形運動軌跡時，分別通過DAS加速度傳感器估算TCP速度和激光跟蹤儀在線測量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(jié)果對比如圖4（藍(lán)線-加速度傳感器貝葉斯估算和融合算法，綠線-僅采用旋轉(zhuǎn)編碼器估算速度，紅線-激光干涉儀測量的真實速度）。

圖4. 基于加速度傳感器估算TCP速度可行性驗證結(jié)果

如實驗所得結(jié)果圖4所示，采用加速度傳感器貝葉斯估算和融合算法估算得出的TCP速度值能夠較為準(zhǔn)確的反應(yīng)機(jī)床TCP的實際運動速度。

 

3.    采用加速度傳感器進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的振動控制

目前，絕大多數(shù)通用數(shù)控系統(tǒng)中不包含有效的振動控制功能。Orchestra開放式控制系統(tǒng)平臺能夠通過PC接口與通用數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，將DAS加速度傳感器測量得到的機(jī)床振動信息進(jìn)行處理和補(bǔ)償，傳送給數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行振動的控制。其中，Orchestra平臺具備各類接口，能夠完成不同硬件和傳感器的通訊工作，如與DAS、電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器、通用數(shù)控系統(tǒng)的接口等。

圖5. 數(shù)控機(jī)床振動控制原理框圖

基于圖5的配置，針對框架式龍門加工機(jī)床進(jìn)行振動控制系統(tǒng)的驗證。此時，DAS安裝在刀具中心點附近，如圖6。為驗證振動控制方案的有效性，按照如下步驟進(jìn)行矩形鈑金件的加工：

1)    標(biāo)準(zhǔn)測試，不采用振動控制方案：基于加速度4 m/s^2，加加速度50 m/s^3，加工精度要求為±30 μm

2)    高動態(tài)測試，不采用振動控制方案：基于加速度7 m/s^2，加加速度125 m/s^3，加工精度要求為±30 μm

3)    高動態(tài)測試，采用振動控制方案：基于加速度7 m/s^2，加加速度125 m/s^3，加工精度要求為±30 μm

圖6. DAS加速度傳感器安裝于TCP附近

根據(jù)設(shè)定條件下分別進(jìn)行三個實驗，使用激光跟蹤儀對加工軌跡進(jìn)行實時采集，可得到如圖7的實驗結(jié)果。

圖7. 不同機(jī)床參數(shù)條件下機(jī)床運動位移和時間的關(guān)系

4.    結(jié)論

從圖7的實驗結(jié)果中可以得出如下結(jié)論：

1)    提高機(jī)床的加速度、加加速度等動態(tài)性能，會增加機(jī)床的振動甚至影響加工精度。

2)    采用基于加速度傳感器的振動控制方案，能夠在提高機(jī)床動態(tài)性能的基礎(chǔ)上(加速度增加50%，加加速度增加150%)，提高機(jī)床的加工效率達(dá)15%，在提高表面質(zhì)量的同時不降低加工精度。

最終，通過采集加速度傳感器的測量信息并在Orchestra控制系統(tǒng)平臺下開發(fā)的振動控制方案能夠在不降低加工精度的前提下，提升數(shù)控機(jī)床的加工效率和表面質(zhì)量。同時，振動控制方案也可以應(yīng)用于各種工業(yè)機(jī)器人，改善其在高速運動下的動態(tài)特性。