|
3數(shù)控機(jī)床下位機(jī)測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 一般網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)測(cè)控下位機(jī)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)由兩大部分組成：一部分是系統(tǒng)基本功能單元(主要包括：進(jìn)行測(cè)量和管理的下位機(jī)測(cè)控服務(wù)器以及各種測(cè)試模塊和通用數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)部分);另一部分是連接各基本功能單元的通信網(wǎng)絡(luò)，例如Internet /Ethernet，USB和串口RS232等總線技術(shù)。 3.1工業(yè)數(shù)據(jù)采集與儀器控制技術(shù)研究 一般的工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)硬件系統(tǒng)由各種傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、電源、A/D轉(zhuǎn)換單元、下位測(cè)控機(jī)、以太網(wǎng)、上位處理機(jī)、打印機(jī)、總控臺(tái)等單元組成。信號(hào)調(diào)理單元將現(xiàn)場(chǎng)傳感器的各種物理量調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)電量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由下位測(cè)控機(jī)進(jìn)行初步數(shù)據(jù)處理，通過(guò)以太網(wǎng)與上位處理機(jī)通訊，在上位機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理、存儲(chǔ)。 硬件是虛擬儀器工作的基礎(chǔ)，主要完成被測(cè)信號(hào)的采集、傳輸、存儲(chǔ)處理和輸入/輸出設(shè)備等工作，由計(jì)算機(jī)和I/O接口設(shè)備組成。計(jì)算機(jī)一般為一臺(tái)PC機(jī)或工作站，是硬件平臺(tái)的核心，它包括微處理器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備等，用來(lái)提供實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)處理。I/O接口設(shè)備即采集調(diào)理部件，包括PC總線的數(shù)據(jù)采集(Data Acquisition，DAQ)卡、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、PXI總線儀器模塊、LXI總線儀器模塊、串口總線儀器和現(xiàn)場(chǎng)總線儀器模塊等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器，主要完成被測(cè)信號(hào)的采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。現(xiàn)場(chǎng)智能單元就是由工業(yè)測(cè)控機(jī)及信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換模塊等所組成。 工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，主要是溫度、壓力、流量和位移信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理和控制規(guī)則約束，形成控制量，再由執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生控制動(dòng)作，形成復(fù)雜閉環(huán)控制。對(duì)于這樣的測(cè)控系統(tǒng)，首先必須運(yùn)行安全可靠，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該從多方面仔細(xì)考慮。在滿足安全可靠的前提下，主要解決測(cè)量的準(zhǔn)確性。因?yàn)檎鎸?shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)才能反映出被測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)性，準(zhǔn)確的控制才有依據(jù)。測(cè)控系統(tǒng)各部分都會(huì)對(duì)準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，特別是在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，必須處理好各個(gè)細(xì)節(jié)，才能保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。 3.2下位機(jī)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種常用的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)，本章將研究基于LabVIEW的下位機(jī)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的下位機(jī)測(cè)控服務(wù)器系統(tǒng)，它是數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件平臺(tái)構(gòu)成如下： (1)前端測(cè)試對(duì)象：數(shù)控機(jī)床(Computer number control，簡(jiǎn)稱CNC); (2)測(cè)試儀器：電流、壓力、溫度等傳感器，機(jī)器視覺模塊和激光干涉儀; (3)信號(hào)調(diào)理模塊：將傳感器中的信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量送到采集卡; (4)數(shù)據(jù)采集卡：選擇阿爾泰的高速采集卡USB2850，工控機(jī)箱; (5)總線技術(shù)：選擇用USB和串口RS232總線。 整體下位機(jī)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖如下圖3.2所示： 本文以控制和測(cè)試數(shù)控機(jī)床的一些參數(shù)，來(lái)構(gòu)建整個(gè)測(cè)試平臺(tái)。需要測(cè)試的信號(hào)：伺服電機(jī)的電流信號(hào)，機(jī)床主軸的位移，機(jī)床主軸的溫度等。電流傳感器采用電流傳感器主要測(cè)試數(shù)控機(jī)床的消耗電流，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)車間環(huán)境，由于數(shù)控機(jī)床的電源線無(wú)法改動(dòng)，因此電流傳感器選用了JT30T32(Φ26)手持式電流傳感器，主要檢測(cè)電流的頻率在25HZ-10KHZ范圍，電流量為0.1A-30A范圍，不需要電源就能實(shí)現(xiàn)被測(cè)電流的變換輸出。通過(guò)激光干涉儀對(duì)數(shù)控機(jī)床位移定位精度，對(duì)機(jī)床的位移參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。溫度傳感器檢測(cè)機(jī)床主軸的溫度，也是為了提高機(jī)床的精度，及時(shí)的對(duì)穩(wěn)定參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。 3.2.1提高數(shù)控機(jī)床定位精度的位移補(bǔ)償方法 激光干涉儀測(cè)得的位移數(shù)據(jù)通過(guò)USB總線實(shí)時(shí)傳送到PC機(jī)，LabVIEW過(guò)調(diào)用C程序的方式調(diào)用激光干涉儀的底層驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)時(shí)的現(xiàn)實(shí)位移數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡的另外一路A/D來(lái)采集電流傳感器測(cè)得伺服電機(jī)的電流信號(hào)，將位移與電流的關(guān)系繪制在LabVIEW界面上，從而可以分析機(jī)床運(yùn)動(dòng)與消耗電流功率的關(guān)系，也就能推出機(jī)床工作時(shí)切削力與消耗功率的關(guān)系。對(duì)測(cè)得位移信號(hào)再繼續(xù)處理，得到目標(biāo)位移和機(jī)床定位精度誤差的曲線，從而能及時(shí)的對(duì)機(jī)床的位移參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。 激光干涉儀：可測(cè)量速度、加速度、振動(dòng)等參數(shù)，并評(píng)估機(jī)床動(dòng)態(tài)特性。測(cè)試主軸的位移采用定位精度高的的激光干涉儀，這里本文選用API公司的激光干涉儀(5D/6D標(biāo)準(zhǔn)型)，它能一次安裝能夠同時(shí)測(cè)量線性軸的六個(gè)誤差，包括1個(gè)位置度誤差、2個(gè)直線度誤差、3個(gè)角度誤差。在通常情況下需要數(shù)天時(shí)間進(jìn)行的測(cè)試，使用API激光干涉儀只需幾個(gè)小時(shí)即可，應(yīng)用結(jié)果表明，節(jié)省時(shí)間可達(dá)80%.6D激光干涉儀主要由穩(wěn)頻激光器、干涉儀和6維傳感器組成，從激光器發(fā)出的激光光束經(jīng)過(guò)干涉后，被6D傳感器內(nèi)的分光鏡分成三束，一束記錄精確長(zhǎng)度位移。第二束光用作直線度測(cè)量的參考光束，傳感器與參考光束之間的相對(duì)位移由裝在傳感器內(nèi)的橫向光電二級(jí)管測(cè)得。第三束光用作裝在6D傳感器內(nèi)的小型光電測(cè)角儀的參考光源，用來(lái)測(cè)量角度誤差(俯仰角和偏擺角)。為了保證激光光束的穩(wěn)定性，測(cè)量?jī)x在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及激光器的選擇方面都做了仔細(xì)設(shè)計(jì)，以使測(cè)量?jī)x的橫向和角度漂移量都降低到最小，從而保證測(cè)量?jī)x的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。測(cè)量?jī)x配有自動(dòng)氣壓、環(huán)境溫度補(bǔ)償器，自動(dòng)校正環(huán)境變化對(duì)激光波長(zhǎng)及長(zhǎng)度測(cè)量的影響，其中多重?cái)?shù)字濾波器使由空氣波動(dòng)及溫度梯度引起的測(cè)量誤差降到最小。 其中誤差補(bǔ)償重點(diǎn)是研究加工中心誤差的影響因素和計(jì)算機(jī)輔助軟件補(bǔ)償技術(shù)，其特點(diǎn)是在對(duì)機(jī)床本身不作任何改動(dòng)的情況下，綜合運(yùn)用當(dāng)代各學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)來(lái)提高機(jī)床加工精度。誤差補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)框圖如下圖3.3所示。 測(cè)得的補(bǔ)償前后機(jī)床的三次運(yùn)動(dòng)的正向和負(fù)向位置精度誤差如表3.1和表3.2所示。 如上表所示，下位測(cè)控機(jī)采集平臺(tái)，通過(guò)激光干涉實(shí)時(shí)記錄機(jī)床的動(dòng)態(tài)位移及定位位移，軟件通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的采集分析，存儲(chǔ)，將整個(gè)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)過(guò)程的定位位移實(shí)時(shí)記錄。在分析軟件下可以清楚看出機(jī)床3次運(yùn)動(dòng)過(guò)程中正向和負(fù)向位移誤差的對(duì)比。 進(jìn)行補(bǔ)償前的位移精度曲線如圖3.4所示，進(jìn)行補(bǔ)償后的位移精度曲線如圖3.5所示。 通過(guò)以上圖表，可以明顯的看出補(bǔ)償后的位移定位精度有了明顯的提高。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試值僅是測(cè)的一臺(tái)剛剛改造后的數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)只是特例數(shù)據(jù)，以后要進(jìn)行多臺(tái)數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)測(cè)試分析，這樣的分析后的結(jié)果就有了普遍性和統(tǒng)計(jì)性。 3.2.2溫度補(bǔ)償技術(shù)研究 溫度傳感器選用PT100鉑電阻溫度傳感器。它適用于測(cè)量(-60 ~+400℃)之間的溫度，完全適用于機(jī)床的使用環(huán)境溫度(5 ~ 45℃)。PT100在0℃時(shí)電阻為100歐隨著溫度的變化電阻成線性變化，大約是每攝氏度0.4歐。為了把PT100隨溫度變化的電阻轉(zhuǎn)換成電壓，AD轉(zhuǎn)換器模擬量接口提供恒流源輸出，即輸出12.5mA恒電流源供給PT100傳感器，在傳感器回路中產(chǎn)生5Mv/℃線性輸入電壓。AD傳感器把這個(gè)電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，程序周期地讀這些數(shù)字量，并將所讀的這些數(shù)，利用下面公式計(jì)算出溫度值。 溫度T [℃] =(溫度數(shù)字量- 0℃偏置量)/ 1℃數(shù)字量(3.1) 其中：溫度數(shù)字量=存儲(chǔ)在NC-PLC接口IW xxx中的測(cè)量值; 0℃偏置量=在0℃測(cè)量出的數(shù)字量，該值為4000; 1℃數(shù)字量=溫度每升高1℃的數(shù)字量，該值為16. PLC定時(shí)采樣溫度值，利用上式計(jì)算出溫度數(shù)字量并轉(zhuǎn)換為帶一位小數(shù)點(diǎn)的十進(jìn)制溫度值，然后計(jì)算出溫度補(bǔ)償參數(shù)K 0(T)、tanβ(T)周期性送至NCK刷新溫度補(bǔ)償參數(shù)。 (1)溫度補(bǔ)償?shù)睦碛?br /> 金屬材料具有“熱脹冷縮”的性質(zhì)，該特性在物理學(xué)上通常用熱膨脹系數(shù)(Thermal expansion confficient，αtherm)描述。數(shù)控機(jī)床的床身、立柱、拖板等導(dǎo)軌基礎(chǔ)件和滾珠絲杠等傳動(dòng)部件一般由金屬材料制成，由于機(jī)床驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)熱、運(yùn)動(dòng)部件摩擦發(fā)熱以及環(huán)境溫度等的變化，均會(huì)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸位置產(chǎn)生附加誤差，這將直接影響機(jī)床的定位精度，從而影響工件的加工精度。對(duì)于在普通車間環(huán)境條件下使用的數(shù)控機(jī)床尤其是行程較長(zhǎng)的落地式銑鏜床，熱膨脹系數(shù)的影響更不容忽視。以行程為5m的X軸來(lái)說(shuō)，金屬材料的熱膨脹系數(shù)為10ppm(10um/每1m每1℃)，理論上溫度每升高1℃，5m行程的X軸就“脹長(zhǎng)”50um.日夜溫差和冬夏季節(jié)溫差的影響便可想而知。因此高精度機(jī)床要求在規(guī)定的恒溫條件下制造或使用，普通環(huán)境下使用的數(shù)控機(jī)床為保證較高定位精度和加工精度，須使用“溫度補(bǔ)償”等選件功能消除附加誤差。 (2)系統(tǒng)中溫度補(bǔ)償原理 機(jī)床坐標(biāo)軸的定位誤差隨溫度變化會(huì)附加一定偏差，對(duì)每一給定溫度可測(cè)出相應(yīng)的定位誤差曲線，為了完成溫度補(bǔ)償需要測(cè)出不同溫度下的定位誤差曲線。如圖3.6所示為一組實(shí)驗(yàn)曲線，測(cè)量條件是：以22度誤差曲線為基準(zhǔn)，在行程500~1500mm范圍內(nèi)不停的運(yùn)動(dòng)加熱機(jī)床，每隔20分鐘做一次定位誤差測(cè)量采樣，采樣間隔100mm，并用點(diǎn)溫計(jì)記錄滾珠絲桿的溫度。因此一定溫度T的定位誤差曲線可以表示為如圖3.7所示的直線，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 式3.2中，梯度tanβ(T)和軸位置不相關(guān)溫度補(bǔ)償值K 0(T)均是隨溫度變化的函數(shù)。 不同溫度下的定位誤差曲線如圖3.6，以及溫度為T時(shí)的定位誤差曲線如圖3.7所示。 系統(tǒng)中溫度補(bǔ)償功能的工作過(guò)程：將測(cè)量得到的溫度偏差(補(bǔ)償)值送至NC插補(bǔ)單元參與插補(bǔ)運(yùn)算修正軸的運(yùn)動(dòng)。若溫度補(bǔ)償值ΔKx(T)為正值就控制軸負(fù)向移動(dòng)，否則正向移動(dòng)。由于溫度影響的滯后性，PLC程序采取定時(shí)間隔采樣溫度(T)的方法，周期性地修改NC中相關(guān)補(bǔ)償參數(shù)，并利用式3.2計(jì)算溫度偏差ΔKx(T)，從而補(bǔ)償?shù)魷囟茸兓a(chǎn)生的位置偏差，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。 |
