基于DSP運動控制器的絲杠副動態(tài)誤差測控系統(tǒng)
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目前常規(guī)的絲杠檢測方法主要有動態(tài)測量與靜態(tài)測量兩種。其中，動態(tài)測量較傳統(tǒng)的靜態(tài)測量具有測量精度高、復(fù)雜性好、效率高、檢測人員勞動強(qiáng)度低、檢測自動化程度高等優(yōu)點，因此在一些大批量、規(guī)模化絲杠系列的生產(chǎn)與安裝調(diào)試場合，動態(tài)測量已基本取代了靜態(tài)測量，成為絲杠檢測的主要手段。本文結(jié)合科研項目開發(fā)了基于DSP運動控制器的絲杠副動態(tài)測控系統(tǒng)，使絲杠副檢測的效率得到了提高，使用效果良好。 1 絲杠動態(tài)誤差測量系統(tǒng)基本原理 絲杠動態(tài)測量是指絲杠在回轉(zhuǎn)中連續(xù)測量絲杠螺距誤差和螺旋線誤差，并自動記錄下誤差值。與靜態(tài)測量相比，動態(tài)測量具有精度高、測量速度快的優(yōu)點，并且可大大減輕勞動強(qiáng)度。 絲杠動態(tài)測量的基本工作原理是通過絲杠的實際螺旋線與標(biāo)準(zhǔn)螺旋線相比較來求得被測絲杠的螺旋線誤差。圖1給出了被測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——測量頭沿絲杠軸線方向的行程 T——被測絲杠的導(dǎo)程
θ——被測絲杠轉(zhuǎn)過的角度 本測量系統(tǒng)采用“同步位移絕對值比較法”進(jìn)行測量，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和測頭軸向位移信號，通過記數(shù)卡本身所具有的信號處理系統(tǒng)將兩路信號進(jìn)行高倍數(shù)電子細(xì)分后傳送給計算機(jī)系統(tǒng)，再由相應(yīng)的軟件將信號轉(zhuǎn)換為位移量，通過計算機(jī)實時處理計算出絲杠誤差值。兩路信號在計算機(jī)處理之間未發(fā)任何聯(lián)系，通過計算機(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，并通過比較計算出誤差值。 2 絲杠副動態(tài)測控系統(tǒng)硬件 2．1 基于DSP的驅(qū)動控制器MCT8000F4簡介 深圳摩信科技公司的MCT8000系列智能運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，是新一代開放式結(jié)構(gòu)的高性能可編程運動控制器。 根據(jù)系統(tǒng)需要選用MCT8000F4四軸運動控制器。圖3為DSP多軸運動器的硬件原理圖。圖中增量編碼器的A0（/A0）、B0（/B0）、C0（/C0）信號作為位置反饋信號，運動控制器通過中倍頻、加減計數(shù)器得到實際的位置，實際位置信息被存在位置寄存器中，計算機(jī)可以通過控制寄存器進(jìn)行讀取。運動控制器的目標(biāo)位置通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到，并由計算機(jī)進(jìn)行計算得到位置誤差值，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)的控制信號或PWM信號。各個控制軸可以獨立完成伺服控制，并能夠?qū)崿F(xiàn)插補(bǔ)控制。圖3MCT8000F4運動控制器具有如下特征： %26;#183;網(wǎng)際浮動式操作界面，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)升級和維護(hù)； %26;#183;兼容性好，配備摩集科技公司生產(chǎn)的運動控制模塊，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運動控制器技術(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。 %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位計數(shù)器，計數(shù)頻率17MHz，差動或單端輸入，Index信號，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)多塊控制板同時工作。 %26;#183;操作系統(tǒng)：Windows 95/98/NT/Linux。
2．2 絲杠副動態(tài)誤差測控系統(tǒng)組成 絲杠副動態(tài)誤差測控系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖4所示，主要包括以下幾個部分：（1）光柵測長、磁柵測角部分；（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）主計算機(jī)控制部分；（6）主軸交流伺服電機(jī)驅(qū)動部分。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，各部件選用獨立功能模塊，通過計算機(jī)控制組合，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計，增加了可靠性，縮短了設(shè)計周期，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。 根據(jù)系統(tǒng)對主軸轉(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，
同時也作為絲杠動態(tài)誤差測控系統(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)的四軸運動控制器MCT8000F4作為下位伺服控制器，實現(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、將運動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)+運動控制器”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與運動控制器的運動軌跡控制能力有機(jī)地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng)、開放程度高、運動軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點。 絲杠副動態(tài)誤差測控系統(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)動采用交流伺服電機(jī)作為拖動元件并由運動控制器控制電機(jī)運行來實現(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)械傳動裝置驅(qū)動主軸，圓磁柵安裝于傳動主軸上，測量時由撥盤帶動被測絲杠和圓磁柵同步轉(zhuǎn)動，絲杠旋轉(zhuǎn)時由帶動頭帶動螺母小車沿導(dǎo)軌做軸向運動，光柵尺傳感器的讀數(shù)頭隨測量頭和螺母小車做軸向移動。 3 絲杠副動態(tài)測控系統(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、編碼器信號接收處理、控制算法計算、調(diào)速系統(tǒng)檢測與監(jiān)控、與控制級的聯(lián)絡(luò)及信息交換、自檢與保護(hù)。初始化模塊在運動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、伺報組件的啟動及設(shè)置，最后進(jìn)入正常工作。光電編碼器的信號通過反饋通道接口卡進(jìn)行整形、濾波與計數(shù)后，實現(xiàn)速度、位置信號的檢測。為了便于控制算法計算及增加信號的可靠性，需進(jìn)行速度信號、位置信號的預(yù)處理，得到的信號分別存在速度信號緩沖區(qū)和位置信號緩沖區(qū)。這就是編碼器信號接收處理模塊要做的工作?？刂扑惴ㄓ嬎隳K根據(jù)得到的速度給定信號、位置速度反饋信號進(jìn)行校正計算，結(jié)果存入輸出緩沖區(qū)，啟動信息交換模塊，將速度反饋信號發(fā)送到上位計算機(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)計了測量信息數(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、動態(tài)測量原始數(shù)據(jù)、誤差評定結(jié)果、精度等級評定結(jié)果等。 3．2 主要軟件模塊流程圖 動態(tài)誤差測量模塊流程圖見圖7。動態(tài)誤差測量模塊由參數(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。動態(tài)誤差測量模塊具有以下功能：根據(jù)輸入?yún)?shù)計算主軸轉(zhuǎn)速和采樣周期；控制電機(jī)驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)動使絲杠按給定速度轉(zhuǎn)動；數(shù)據(jù)采集，包括長光柵、圓磁柵、溫度、尾架補(bǔ)償量；進(jìn)行實時的誤差計算與誤差補(bǔ)償，計算出導(dǎo)程誤差；顯示誤差曲線，并可在記錄儀上給出誤差曲線；測量結(jié)束后將所測數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件。 動態(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)程誤差的動態(tài)測量原理，研究了基于DSP運動控制器的絲框副動態(tài)誤差測量控系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計方案，實現(xiàn)了絲杠的自動測量、自動分析，并實現(xiàn)按最新國標(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的自動計算與精度驗收評定，使?jié)L珠絲杠和滾珠絲杠副檢測的效率得到提高，儀器操作性更強(qiáng)，性能更加穩(wěn)定可靠。同時建立了絲杠精度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫及絲杠測量數(shù)據(jù)庫，方便了數(shù)據(jù)的查詢與管理，可為工廠的自動化管理提供有效的幫助
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