基于DSP運(yùn)動(dòng)控制器的絲杠副動(dòng)態(tài)誤差測(cè)控系統(tǒng)
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目前常規(guī)的絲杠檢測(cè)方法主要有動(dòng)態(tài)測(cè)量與靜態(tài)測(cè)量?jī)煞N。其中，動(dòng)態(tài)測(cè)量較傳統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)量具有測(cè)量精度高、復(fù)雜性好、效率高、檢測(cè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度低、檢測(cè)自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在一些大批量、規(guī)?；z杠系列的生產(chǎn)與安裝調(diào)試場(chǎng)合，動(dòng)態(tài)測(cè)量已基本取代了靜態(tài)測(cè)量，成為絲杠檢測(cè)的主要手段。本文結(jié)合科研項(xiàng)目開發(fā)了基于DSP運(yùn)動(dòng)控制器的絲杠副動(dòng)態(tài)測(cè)控系統(tǒng)，使絲杠副檢測(cè)的效率得到了提高，使用效果良好。 1 絲杠動(dòng)態(tài)誤差測(cè)量系統(tǒng)基本原理 絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量是指絲杠在回轉(zhuǎn)中連續(xù)測(cè)量絲杠螺距誤差和螺旋線誤差，并自動(dòng)記錄下誤差值。與靜態(tài)測(cè)量相比，動(dòng)態(tài)測(cè)量具有精度高、測(cè)量速度快的優(yōu)點(diǎn)，并且可大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。 絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量的基本工作原理是通過絲杠的實(shí)際螺旋線與標(biāo)準(zhǔn)螺旋線相比較來求得被測(cè)絲杠的螺旋線誤差。圖1給出了被測(cè)絲杠的螺旋線誤差示意圖。 螺旋線誤差Δ可由式（1）求得： Δ=Z-（θ/2π）/T （1） 其中，Z——測(cè)量頭沿絲杠軸線方向的行程 T——被測(cè)絲杠的導(dǎo)程
θ——被測(cè)絲杠轉(zhuǎn)過的角度 本測(cè)量系統(tǒng)采用“同步位移絕對(duì)值比較法”進(jìn)行測(cè)量，其原理如圖2所示。具體方法為：記數(shù)卡以一定采樣間隔同步采集角位移信號(hào)和測(cè)頭軸向位移信號(hào)，通過記數(shù)卡本身所具有的信號(hào)處理系統(tǒng)將兩路信號(hào)進(jìn)行高倍數(shù)電子細(xì)分后傳送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，再由相應(yīng)的軟件將信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移量，通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理計(jì)算出絲杠誤差值。兩路信號(hào)在計(jì)算機(jī)處理之間未發(fā)任何聯(lián)系，通過計(jì)算機(jī)處理使使它們成為絲杠螺旋線的角度基準(zhǔn)量和軸向位移量，并通過比較計(jì)算出誤差值。 2 絲杠副動(dòng)態(tài)測(cè)控系統(tǒng)硬件 2．1 基于DSP的驅(qū)動(dòng)控制器MCT8000F4簡(jiǎn)介 深圳摩信科技公司的MCT8000系列智能運(yùn)行控制器包括主控制板、接口板以及控制軟件等，具有開放式結(jié)構(gòu)、高速、高精度、網(wǎng)際在線控制、多軸同步控制、可重構(gòu)、高度集成、高度可靠和安全等特點(diǎn)，是新一代開放式結(jié)構(gòu)的高性能可編程運(yùn)動(dòng)控制器。 根據(jù)系統(tǒng)需要選用MCT8000F4四軸運(yùn)動(dòng)控制器。圖3為DSP多軸運(yùn)動(dòng)器的硬件原理圖。圖中增量編碼器的A0（/A0）、B0（/B0）、C0（/C0）信號(hào)作為位置反饋信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制器通過中倍頻、加減計(jì)數(shù)器得到實(shí)際的位置，實(shí)際位置信息被存在位置寄存器中，計(jì)算機(jī)可以通過控制寄存器進(jìn)行讀取。運(yùn)動(dòng)控制器的目標(biāo)位置通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算得到位置誤差值，再經(jīng)過加減速控制和數(shù)字濾波后送到D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）、運(yùn)算放大器、脈寬調(diào)制器（PWM）等硬件處理電路，處理后輸出伺服電機(jī)的控制信號(hào)或PWM信號(hào)。各個(gè)控制軸可以獨(dú)立完成伺服控制，并能夠?qū)崿F(xiàn)插補(bǔ)控制。圖3MCT8000F4運(yùn)動(dòng)控制器具有如下特征： %26;#183;網(wǎng)際浮動(dòng)式操作界面，方便遠(yuǎn)程在線、多系統(tǒng)協(xié)調(diào)作業(yè)，支持遠(yuǎn)程調(diào)試和故障診斷； %26;#183;開放式結(jié)構(gòu)，可隨意增加外部傳感器，擴(kuò)展系統(tǒng)功能； %26;#183;高可靠性雙CPU結(jié)構(gòu)，下位機(jī)可脫離上位機(jī)工作； %26;#183;每軸10μs的高伺服更新速度，可直接控制DD（Direct Drive）臂機(jī)器人和高速直線電機(jī)； %26;#183;優(yōu)良有軟硬件重構(gòu)特性，便于技術(shù)升級(jí)和維護(hù)； %26;#183;兼容性好，配備摩集科技公司生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制模塊，可以控制多種機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床以及其它過程控制系統(tǒng)。圖4MCT8000F4運(yùn)動(dòng)控制器技術(shù)參數(shù)為： %26;#183;四通道0～2MHz的正負(fù)步進(jìn)脈沖輸出，作為正負(fù)方向控制信號(hào)。 %26;#183;四通道12位模擬量輸出，輸出范圍為-10V～+10V，工作頻率為100kHz。 %26;#183;四通道光電編碼器接口，24位計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)頻率17MHz，差動(dòng)或單端輸入，Index信號(hào)，內(nèi)部數(shù)字濾波。 %26;#183;與主機(jī)連接方式：標(biāo)準(zhǔn)PCI總線高速接口。 %26;#183;支持單主機(jī)多塊控制板同時(shí)工作。 %26;#183;操作系統(tǒng)：Windows 95/98/NT/Linux。
2．2 絲杠副動(dòng)態(tài)誤差測(cè)控系統(tǒng)組成 絲杠副動(dòng)態(tài)誤差測(cè)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖4所示，主要包括以下幾個(gè)部分：（1）光柵測(cè)長(zhǎng)、磁柵測(cè)角部分；（2）溫度采集部分；（3）尾架補(bǔ)償部分；（4）誤差顯示與輸出部分；（5）主計(jì)算機(jī)控制部分；（6）主軸交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各部件選用獨(dú)立功能模塊，通過計(jì)算機(jī)控制組合，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增加了可靠性，縮短了設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。 根據(jù)系統(tǒng)對(duì)主軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定可調(diào)的要求，主軸伺服電機(jī)控制系統(tǒng)采用上、下位機(jī)控制方式。上位機(jī)選用研祥工控機(jī)，該工控機(jī)不但作為上位伺服控制級(jí)，
同時(shí)也作為絲杠動(dòng)態(tài)誤差測(cè)控系統(tǒng)的控制主機(jī)。下位機(jī)選用深圳摩信公司生產(chǎn)的基于DSP技術(shù)的四軸運(yùn)動(dòng)控制器MCT8000F4作為下位伺服控制器，實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的速度和位置控制。上、下位機(jī)通過總線形式連接，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸及控制。這是一種以PC機(jī)作為信息處理平臺(tái)、將運(yùn)動(dòng)控制器以插卡形式嵌入PC機(jī)的伺服控制系統(tǒng)，即“PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制器”模式的開放式億噸服控制系統(tǒng)。它將PC機(jī)的信息處理能力和開放式的特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng)、開放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點(diǎn)。 絲杠副動(dòng)態(tài)誤差測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。在系統(tǒng)中，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)采用交流伺服電機(jī)作為拖動(dòng)元件并由運(yùn)動(dòng)控制器控制電機(jī)運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)，這種辦法還可以進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。電機(jī)經(jīng)過機(jī)械傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)主軸，圓磁柵安裝于傳動(dòng)主軸上，測(cè)量時(shí)由撥盤帶動(dòng)被測(cè)絲杠和圓磁柵同步轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)由帶動(dòng)頭帶動(dòng)螺母小車沿導(dǎo)軌做軸向運(yùn)動(dòng)，光柵尺傳感器的讀數(shù)頭隨測(cè)量頭和螺母小車做軸向移動(dòng)。 3 絲杠副動(dòng)態(tài)測(cè)控系統(tǒng)軟件 3．1 軟件系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的軟件功能包括：初始化、編碼器信號(hào)接收處理、控制算法計(jì)算、調(diào)速系統(tǒng)檢測(cè)與監(jiān)控、與控制級(jí)的聯(lián)絡(luò)及信息交換、自檢與保護(hù)。初始化模塊在運(yùn)動(dòng)控制器開始工作之前進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定、設(shè)備的診斷、伺報(bào)組件的啟動(dòng)及設(shè)置，最后進(jìn)入正常工作。光電編碼器的信號(hào)通過反饋通道接口卡進(jìn)行整形、濾波與計(jì)數(shù)后，實(shí)現(xiàn)速度、位置信號(hào)的檢測(cè)。為了便于控制算法計(jì)算及增加信號(hào)的可靠性，需進(jìn)行速度信號(hào)、位置信號(hào)的預(yù)處理，得到的信號(hào)分別存在速度信號(hào)緩沖區(qū)和位置信號(hào)緩沖區(qū)。這就是編碼器信號(hào)接收處理模塊要做的工作?？刂扑惴ㄓ?jì)算模塊根據(jù)得到的速度給定信號(hào)、位置速度反饋信號(hào)進(jìn)行校正計(jì)算，結(jié)果存入輸出緩沖區(qū)，啟動(dòng)信息交換模塊，將速度反饋信號(hào)發(fā)送到上位計(jì)算機(jī)。聯(lián)絡(luò)及信息交換模塊的主要任務(wù)是接收上位機(jī)送來的命令與數(shù)據(jù)，進(jìn)行命令處理及數(shù)據(jù)處理與保存，根據(jù)需要向下位機(jī)伺服控制級(jí)發(fā)送有關(guān)信息。 本系統(tǒng)軟件以VB為開發(fā)工具，圖6為軟件模塊結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了測(cè)量信息數(shù)據(jù)庫、精度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫管理軟件，用于保存絲杠的參數(shù)信息、動(dòng)態(tài)測(cè)量原始數(shù)據(jù)、誤差評(píng)定結(jié)果、精度等級(jí)評(píng)定結(jié)果等。 3．2 主要軟件模塊流程圖 動(dòng)態(tài)誤差測(cè)量模塊流程圖見圖7。動(dòng)態(tài)誤差測(cè)量模塊由參數(shù)輸入模塊輸入用戶參數(shù)，包括絲杠參數(shù)、采集參數(shù)，并判斷參數(shù)的合理性。動(dòng)態(tài)誤差測(cè)量模塊具有以下功能：根據(jù)輸入?yún)?shù)計(jì)算主軸轉(zhuǎn)速和采樣周期；控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)使絲杠按給定速度轉(zhuǎn)動(dòng)；數(shù)據(jù)采集，包括長(zhǎng)光柵、圓磁柵、溫度、尾架補(bǔ)償量；進(jìn)行實(shí)時(shí)的誤差計(jì)算與誤差補(bǔ)償，計(jì)算出導(dǎo)程誤差；顯示誤差曲線，并可在記錄儀上給出誤差曲線；測(cè)量結(jié)束后將所測(cè)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件。 動(dòng)態(tài)誤差分析模塊流程圖見圖8。誤差分析采用最小二乘法求出回歸系數(shù)，用行程精度四大精度指標(biāo)Ea、Vup、V2π、V300反映各誤差量。
本文分析了絲杠導(dǎo)程誤差的動(dòng)態(tài)測(cè)量原理，研究了基于DSP運(yùn)動(dòng)控制器的絲框副動(dòng)態(tài)誤差測(cè)量控系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了絲杠的自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)分析，并實(shí)現(xiàn)按最新國(guó)標(biāo)進(jìn)行了滾珠絲杠副導(dǎo)程誤差四大精度指標(biāo)Ea、Vup、V2π、V300的自動(dòng)計(jì)算與精度驗(yàn)收評(píng)定，使?jié)L珠絲杠和滾珠絲杠副檢測(cè)的效率得到提高，儀器操作性更強(qiáng)，性能更加穩(wěn)定可靠。同時(shí)建立了絲杠精度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫及絲杠測(cè)量數(shù)據(jù)庫，方便了數(shù)據(jù)的查詢與管理，可為工廠的自動(dòng)化管理提供有效的幫助
評(píng)論