隨著模具行業、航空制造業對加工速度、加工精度和表面質量的要求愈來愈高以及高速加工技術的發展，數控機床和機器人制造商面臨著如何在實現較高加工速度的同時保證加工精度和表面質量的課題。

一般而言，數控機床的振動和震動有細微但很明確的區別（如圖1）：在電機帶寬以內的低頻運動通常稱之為振動，可以在保持機械結構不變的前提下進行消除和抑制；高于電機帶寬的高頻運動通常稱之為震動，往往需要對機械結構進行修改，增加機械的剛性達到減輕振動的目的。數控機床或機器人的振動能夠增加工件加工時間、降低表面質量甚至精度。

圖1. 振動和震動的區別

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

 

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控機床和機器人行業。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小（約占整機成本5%）等特點。同時，由于采用以太網（Ethernet）技術，DAS加速度傳感器的數據采集頻率約為100 Mb/s，可以滿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性加速度計進行排列，能夠進行直線加速度和角加速度的測量，可測量軸數達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，能夠通過Ethernet UDP和簡單的客戶/服務器協議與計算機進行通訊，允許用戶在Windows和Linux下開發多種應用，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行貝葉斯估算和傳感器融合算法進行刀具中心點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，特進行實驗測試。在數控機床運行中，通過DAS加速度傳感器將刀具中心點TCP的加速度讀取到Orchestra運動控制平臺中進行速度估算，將此估算的結果與激光跟蹤儀測量的結果進行對比，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，進行結果對比如圖4（藍線-加速度傳感器貝葉斯估算和融合算法，綠線-僅采用旋轉編碼器估算速度，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速度可行性驗證結果

如實驗所得結果圖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速度值能夠較為準確的反應機床TCP的實際運動速度。

 

3.    采用加速度傳感器進行數控機床的振動控制

目前，絕大多數通用數控系統中不包含有效的振動控制功能。Orchestra開放式控制系統平臺能夠通過PC接口與通用數控系統進行通訊，將DAS加速度傳感器測量得到的機床振動信息進行處理和補償，傳送給數控系統進行振動的控制。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、電機旋轉編碼器、通用數控系統的接口等。

圖5. 數控機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床進行振動控制系統的驗證。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，按照如下步驟進行矩形鈑金件的加工：

1)    標準測試，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

根據設定條件下分別進行三個實驗，使用激光跟蹤儀對加工軌跡進行實時采集，可得到如圖7的實驗結果。

圖7. 不同機床參數條件下機床運動位移和時間的關系

4.    結論

從圖7的實驗結果中可以得出如下結論：

1)    提高機床的加速度、加加速度等動態性能，會增加機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，能夠在提高機床動態性能的基礎上(加速度增加50%，加加速度增加150%)，提高機床的加工效率達15%，在提高表面質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控制系統平臺下開發的振動控制方案能夠在不降低加工精度的前提下，提升數控機床的加工效率和表面質量。同時，振動控制方案也可以應用于各種工業機器人，改善其在高速運動下的動態特性。