數(shù)控機床運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理技術研究

韓興國

（桂林航天工業(yè)高等?？茖W校機械工程系，廣西 桂林 541004）

通過幾個五年計劃的努力，我國的數(shù)控機床已有了很大的發(fā)展，數(shù)控技術正在向高速化、高精度、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。對數(shù)控機床生產(chǎn)廠家和用戶來說，擁有能夠直接或間接證明其數(shù)控機床運行是否平穩(wěn)，對數(shù)控機床的運行狀態(tài)做出一個客觀、正確、公正、綜合的評價的檢測方法至關重要。特別是對數(shù)控機床生產(chǎn)廠家來說，若能在裝配聯(lián)機調(diào)試之前快速、準確的測知數(shù)控機床的運行狀態(tài)和運行精度，把數(shù)控機床出現(xiàn)故障的可能性在聯(lián)機調(diào)試之前發(fā)現(xiàn)并予以消除，將能極大提高數(shù)控機床的裝配調(diào)試效率。

1 數(shù)控機床運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集原理

1.1 光電編碼器

多數(shù)數(shù)控機床都裝有光電編碼器，它是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，編碼盤直接裝在旋轉(zhuǎn)軸上，以測出軸的旋轉(zhuǎn)角度位置和速度變化，其輸出信號為電脈沖。

光電編碼器隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，在光源的照射下，透過電碼盤和光柵板形成忽明忽暗的光信號，光敏元件把此光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過信號處理裝置的整形，放大等處理后輸出。輸出的波形有六路：，其中是A，B，Z的取反信號。A,B兩相的作用：根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測軸的角位移，根據(jù)脈沖的頻率可得出被測軸的轉(zhuǎn)速，根據(jù)A，B兩相的相位超前滯后關系可判斷被測軸的旋轉(zhuǎn)方向。Z相信號可實現(xiàn)被測軸的周向定位和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)計數(shù)。

1.2 數(shù)控機床運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集卡的設計

數(shù)控機床運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集卡的原理就是通過采集CNC伺服系統(tǒng)各軸交流電機光電編碼器的信號來計算數(shù)控機床各軸的運行位移、速度和加速度等運行狀態(tài)參量，并對這些運行狀態(tài)參量進行誤差分析和圖形處理，判斷數(shù)控機床的運行狀況是否正常。

數(shù)控機床運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集卡主要采用Atmel公司單片機AT89C55、計數(shù)芯片LS7266R1和CAN控制器SJA1000來實現(xiàn)，其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。在圖1中放大隔離用電壓四差分比較器LM139實現(xiàn)，集成電路計數(shù)器用LS7266R1實現(xiàn)，中央處理器（CPU）采用單片機AT89C55，CAN控制器用Philips的SJA1000實現(xiàn)，光電隔離用6N137實現(xiàn)，CAN驅(qū)動器用PCA820C250實現(xiàn)。

圖1 基于89C55單片機數(shù)控機床運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)原理圖

該數(shù)據(jù)采集卡主要實現(xiàn)對數(shù)控機床X軸和Y軸運行狀態(tài)的采集，數(shù)控機床在運行過程中，其輸出量如 XA+、XA-、XB+、XB-、YA+、YA-、YB+、YB- 等，經(jīng)過LS7266R1采樣、濾波、鑒相、倍頻、計數(shù)等處理后，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線傳遞到現(xiàn)場級中央處理器（CPU）AT89C55，AT89C55對數(shù)據(jù)做出判斷、計算、存儲、打包等處理后，再通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線傳給CAN總線通信控制器SJA1000。如果總線忙，則等待；如果總線空閑，就通過CAN總線驅(qū)動器PCA82C250將信息發(fā)布到CAN總線上。

2 分布式數(shù)控機床遠程測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理方法

2.1 數(shù)據(jù)處理技術

數(shù)據(jù)處理技術是指用計算機收集、記錄數(shù)據(jù)，經(jīng)加工產(chǎn)生新的信息形式的技術。數(shù)據(jù)處理模塊把采集回來的數(shù)據(jù)處理后，保存到PC機數(shù)據(jù)庫中，通過對設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析，判斷設備運行是否正常。我們通常用的一些數(shù)據(jù)處理分析方法有最小二乘法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡及小波分析等。本文主要介紹最小二乘法在數(shù)控機床各軸運行狀態(tài)參量數(shù)據(jù)處理方面的應用。

2.2 X軸、Y軸平面內(nèi)的圓弧插補運行狀態(tài)分析

在X軸、Y軸平面內(nèi)沿逆時針方向進行圓弧插補，運用數(shù)控機床運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集卡對其進行實時性的數(shù)據(jù)采集，對光電編碼器輸出的信號進行濾波整形，鑒相倍頻，提取整個動作的信號，同時對兩路信號進行A/D轉(zhuǎn)換，對脈沖進行計數(shù)，并通過計算得出接收到每個脈沖之后的X軸、Y軸位移：x1、x2、x3、x4…… xn；y1、y2、y3、y4…… yn，由 Vxn=xn+1-xn/T，Vνn=yn+1-yn/T（T=1/Nf，f為光電編碼器的分辨率）可計算出X軸、Y軸的瞬時速度，把X軸、Y軸的瞬時速度和加速度繪制成圖如圖2所示。

圖2 X伺服軸和Y伺服軸的速度和加速度變

從圖2中可以看出，機床的運行狀態(tài)基本正常，但的確受到外界的干擾，通過對圓插補的運動信息進行濾波、誤差分析，得到其在理想狀態(tài)下的運動情況，以此來判斷數(shù)控機床在不同負載下的運動狀態(tài)是否正常。

2.3 最小二乘法濾波原理

最小二乘法通過最小化誤差的平方和找到一組數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，令誤差之和為最小，通常用于曲線擬合。眾所周知，過1個點可有無數(shù)條直線，過2個不同的點可求出唯一的一條直線，過3個不同的點不能求出一條直線。顯然，過n(n>2)個不同的點(xi,yi)(i=1,2,3,…，n)能否求出一條直線的結論是否定的。在實際應用中，問題的提法降低為：能否求出一條回歸方程。

可以近似地描述這些點的變化趨勢就夠了。自然地，(xi,yi)到直線（1）應滿足點到直線的距離最短的條件。這使我們想起點到直線的距離公式

那么點(xi,yi)到直線（1）式的距離

考慮（4）式的幾何意義，它恰是(xi,yi)到直線（1）平行于Y軸的距離之和，兩邊平方，得：

圖3 經(jīng)過最小二乘法處理后X伺服軸和Y伺服軸的速度和加速度變化圖

當數(shù)控機床進行圓插補時，通過最小二乘法對采集的位移點和速度點進行曲線擬合，可以得出更加準確地位移圖、速度圖。通過最小二乘法進行數(shù)據(jù)處理后，X軸、Y軸的瞬時速度如圖3所示變化。

2.4 理論分析

當機床工作在理想狀態(tài)時，其誤差應該是理論插補圓周（即內(nèi)接多邊形各邊）上小范圍的波動。當數(shù)控機床進行圓插補時，我們可以采集到X軸，Y軸的運動信息，畫出其X軸和Y軸的速度和加速度變化圖（圖2），從圖2中可以看出：X和Y工作臺的運動速度和加速度在每一個瞬時均有急劇的速度和加速度毛刺，這是因為動力學系統(tǒng)只要速度發(fā)生變化，系統(tǒng)的震動是不可避免的。根據(jù)運動學分析，處于與坐標軸相交位置的各點，其兩軸中必有一個軸的瞬時速度為零加速度最大，另一個軸的瞬時速度最大加速度最小，這時兩軸的電機處于正反轉(zhuǎn)臨界點。從動力學的角度來看，由于速度和加速度的瞬變產(chǎn)生較大的慣性力，而在兩軸插補的過程中，盡管X、Y兩軸合成速度恒定，但X、Y軸的速度加速度分量都在不斷改變，因此產(chǎn)生頻率較高的瞬變的慣性力，導致同一時刻的兩軸的受力狀況不相同，結果引起實際插補產(chǎn)生許多較大的毛刺。經(jīng)過最小二乘法濾波處理后，從X軸和Y軸的速度和加速度變化圖（如圖3）中可以看出，X、Y兩軸的速度和加速度圖毛刺減小，部分干擾信號消除，圖形得到較大程度的還原。

3 結束語

本文在數(shù)控系統(tǒng)實驗平臺下對圓弧插補的軌跡進行位移數(shù)據(jù)的采集，計算出X軸和Y軸的瞬時速度和加速度，利用最小二乘法對瞬時速度和加速度進行數(shù)據(jù)處理濾波，去除外部干擾，繪制出準確的瞬時速度和加速度圖，可依此對數(shù)控機床的運行狀態(tài)做出一個客觀、公正的評價。這種檢測數(shù)控機床運行狀態(tài)的方法也可以用于直線插補、螺紋加工及任意組合運動軌跡，還能判斷三軸和多軸數(shù)控機床的運行狀態(tài)。

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