數(shù)控機(jī)床振動測量和控制技術(shù)
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一般而言，數(shù)控機(jī)床的振動和震動有細(xì)微但很明確的區(qū)別（如圖1）：在電機(jī)帶寬以內(nèi)的低頻運(yùn)動通常稱之為振動，可以在保持機(jī)械結(jié)構(gòu)不變的前提下進(jìn)行消除和抑制；高于電機(jī)帶寬的高頻運(yùn)動通常稱之為震動，往往需要對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，增加機(jī)械的剛性達(dá)到減輕振動的目的。數(shù)控機(jī)床或機(jī)器人的振動能夠增加工件加工時間、降低表面質(zhì)量甚至精度。
圖1. 振動和震動的區(qū)別
1. DAS（Direct Acceleration Sensor）加速度傳感器
傳統(tǒng)中采用慣性測量單元（IMU，Inertial Measurement Unit）可以進(jìn)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(shù)控機(jī)床和機(jī)器人行業(yè)。采用DAS加速度傳感器可以很好的適應(yīng)數(shù)控機(jī)床應(yīng)用，它具有尺寸緊湊（約100x100x30 mm）和測量頻率范圍近于電機(jī)頻率（約100 Hz）以及占用數(shù)控機(jī)床整機(jī)的成本較小（約占整機(jī)成本5%）等特點(diǎn)。同時，由于采用以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)，DAS加速度傳感器的數(shù)據(jù)采集頻率約為100 Mb/s，可以滿足數(shù)控系統(tǒng)對采樣周期的較高要求。
在硬件結(jié)構(gòu)上，DAS加速度傳感器采用大量的平面線性加速度計進(jìn)行排列，能夠進(jìn)行直線加速度和角加速度的測量，可測量軸數(shù)達(dá)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(shù)，能夠通過Ethernet UDP和簡單的客戶/服務(wù)器協(xié)議與計算機(jī)進(jìn)行通訊，允許用戶在Windows和Linux下開發(fā)多種應(yīng)用，完成較為復(fù)雜的工作。
圖2. DAS加速度傳感器
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(jìn)行貝葉斯估算和傳感器融合算法進(jìn)行刀具中心點(diǎn)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(jìn)行實驗測試。在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行中，通過DAS加速度傳感器將刀具中心點(diǎn)TCP的加速度讀取到Orchestra運(yùn)動控制平臺中進(jìn)行速度估算，將此估算的結(jié)果與激光跟蹤儀測量的結(jié)果進(jìn)行對比，已達(dá)到驗證基于加速度傳感器估算TCP速度的有效性（實驗?zāi)Ｐ腿鐖D3）。需要注意的是，DAS加速度傳感器主要安裝在刀具中心點(diǎn)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
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