CN103433805B - 基于工业以太网总线的圆度误差测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工业以太网总线的圆度误差测量装置及方法，包括CNC控制装置和伺服驱动装置，CNC控制装置通过伺服驱动装置与传动机械装置连接，CNC控制装置包括圆度指令发送模块、圆度误差测量装置和图形显示模块，圆度误差测量装置包括依次连接的数据输入模块、数据采集模块、圆度分析模块和数据输出模块；数据输出模块和圆度指令发送模块分别与图形显示模块连接，数据输入模块和圆度指令发送模块连接，数据输入模块和圆度指令发送模块通过工业以太网与伺服驱动装置连接；本发明实时采集传动机械装置位置信息，自动分析计算圆度误差，能直接在CNC控制装置上实现，无需借助PC等外部设备，具有操作简单、数据可靠性高等优点。

Description

基于工业以太网总线的圆度误差测量装置及方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，特别是有关于一种基于工业以太网总线的圆度误差测量装置及方法。

背景技术

当伺服参数经过优化后，需要对优化的效果验证，比较常用的方法就是圆度误差测量。因为，在模具加工时大部分机床运动轨迹是一个空间的曲线，可以近似认为是由一个个圆弧段组成的，圆度误差测量就是让机床以一定的速度走一个相应半径的圆，看机床实际走圆的效果，通过圆度误差测量可以看出机床在拐点处的动态特性。

现有技术中，一般采取下面两种方法进行圆度误差测量：

第一种，人工测量。两点和三点法近似测量，为生产中常用的方法，需要使用百分表或比较仪、表座、V型块等量具，操作简单。但这种方法缺陷是必需将测量结果先记录在纸张中，当需要进行分析时，再录入到电脑表格中，此方式效率低，数据容易记错。

第二种，通过在计算机上开发软件进行测量。首先需要在NC(数字控制)系统上编写两个要测试的轴插补的圆程序，接着执行NC上的程序，再通过PC上的软件进行圆度误差测量及显示分析。此方法不足之处：在计算机上实现，经分析后调试人员需进一步在伺服上进行手动优化参数，另外还需要考虑计算机和NC系统联网的问题，成本较高。

工业以太网总线技术具有可实现远程访问，可承载大量数据信息，网络传输速度快，数据可达性强，可靠性高等优点。工业以太网总线技术的出现，为克服上述方法的缺陷提供了很好的研究思路。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于工业以太网总线的圆度误差测量装置。

本发明的另一个目的在于提供一种基于上述装置的圆度误差测量方法，直接在CNC(Computernumericalcontrol，计算机数字控制)控制装置上进行圆度误差测量操作，自动分析记录测量结果，无需考虑PC与NC系统联网问题，成本低，解决了现有圆度误差测量方法人工记录测量结果造成效率低及不准确，或者通过计算机开发软件实现测量成本高的问题。

本发明的第一个目的通过以下技术方案实现：基于工业以太网总线的圆度误差测量装置，包括CNC控制装置和伺服驱动装置，所述CNC控制装置通过伺服驱动装置与传动机械装置连接，所述CNC控制装置中包括圆度指令发送模块、圆度误差测量模块和图形显示模块，所述圆度误差测量模块包括依次连接的数据输入模块、数据采集模块、圆度分析模块和数据输出模块；

所述圆度指令发送模块和圆度误差测量模块的数据输入模块连接，所述数据输入模块和圆度指令发送模块通过工业以太网总线与伺服驱动装置连接；所述CNC装置通过工业以太网总线与伺服驱动装置之间实现通信；

所述圆度误差测量模块的数据输出模块和圆度指令发送模块分别与图形显示模块连接。

优选的，所述伺服驱动装置包括依次连接的位置控制器、速度控制器、电流控制器、功率放大器、伺服电机以及反馈检测装置，CNC控制装置中圆度指令发送模块通过工业以太网总线与位置控制器连接，将圆度指令发送给位置控制器，所述伺服驱动装置通过伺服电机与传动机械装置连接；

所述伺服电机通过反馈检测装置分别与位置控制器的输入端及速度控制器的输入端连接，将传动机械装置位置信息及伺服电机运转速度信息反馈给位置控制器及速度控制器，所述功率放大器的输出端与电流控制器的输入端连接，将功率放大器输出的电流参数值反馈给电流控制器。

优选的，所述伺服驱动装置包括依次连接的位置控制器、速度控制器、电流控制器、功率放大器、伺服电机和第一反馈检测装置；CNC控制装置中圆度指令发送模块通过工业以太网总线与位置控制器连接，将圆度指令发送给位置控制器，所述伺服驱动装置通过伺服电机与传动机械装置连接；

所述伺服电机通过第一反馈检测装置与速度控制器的输入端连接，将速度信息反馈给速度控制器，所述功率放大器的输出端与电流控制器的输入端连接，将功率放大器输出的电流参数值反馈给电流控制器；

传动机械装置还连接有第二反馈检测装置，传动机械装置通过第二反馈检测装置与位置控制器的输入端连接，通过第二反馈检测装置将传动机械装置的位置信息反馈给位置控制器。

本发明的第二个目的通过下述技术方案实现：基于工业以太网总线的圆度误差测量方法，包括以下步骤：

(1)通过工业以太网总线把伺服驱动装置当前经过优化后的伺服参数信息下载到CNC控制装置；

(2)进入CNC控制装置圆度误差测量人机界面；

(3)设定圆度误差测量的各项参数值；

(4)判断当前输入的参数值是否符合数据范围，如果是，执行步骤(5)，如果否，执行步骤(3)；

(5)CNC控制装置运行当前选择的圆度指令，控制传动机械装置运动，CNC控制装置通过工业以太网总线实时采集传动机械装置位置信息；

(6)CNC控制装置根据采集到的传动机械装置位置信息，自动计算传动机械装置所运动的圆的圆心点及分析出该圆上的点，然后计算出该圆与理论圆的圆度误差数据；

(7)CNC控制装置根据圆度误差数据在圆度误差测量人机界面上显示出圆度误差分布图；

(8)根据圆度误差数据及圆度误差分布图形得出传动机械装置响应的同步性和响应的速度，判断当前圆度误差是否在规定要求范围内，如果是，执行步骤(10)，如果否，执行步骤(9)；

(9)对伺服驱动装置的伺服参数进行优化，执行步骤(1)；

(10)调试成功，圆度误差测量结束。

优选的，所述步骤(3)中圆度误差测量的各项参数值分别是测试平面、圆的方向、采样周期、圆半径、进给速度、放大倍数；其中采样周期根据圆半径及进给速度设定，半径越大，采样周期应越长；进给速度越慢，采样周期越长；放大倍数是指圆弧显示的分辨率。

更进一步的，所述圆度误差测量的各项参数值的数据范围分别是测试平面为G17(XY平面)、G18(ZX平面)及G19(YZ平面)，圆的方向为G02和G03，采样周期为1～10ms，圆半径为1～1000mm，进给速度为1～9999mm/min，放大倍数为1～9999。

更进一步的，各平面圆度测试，默认铣圆参数进给速为3000mm/min、圆半径为100mm。

更进一步的，所述步骤(8)中，各平面圆度误差测试在默认铣圆参数的情况下，即进给速度为3000mm/min、圆半径为100mm时，若圆度误差数据小于或等于6μm，则表示当前各传动机械装置达到相应的同步性。

优选的，所述圆度误差数据包括传动机械装置运动的圆的圆上点与理论圆的点误差、最大误差和最小误差值。

优选的，所述伺服参数为速度比例增益、速度积分时间常数、转矩指令滤波、速度检测低通滤波和位置比例增益。

通过具有以太网总线通信功能的CNC控制装置，能直接在CNC控制装置上进行圆度误差测量操作，模拟圆周切削运动圆并以此采集传动机械装置位置信息来判断机床各传动机械装置响应的同步性和响应速度。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明能直接在CNC控制装置上进行圆度误差测量，无需使用PC机，无需考虑PC与NC系统联网问题，性价比高，有利于降低成本。当测量到圆度误差不在规定范围内时，CNC控制装置能够控制伺服驱动装置的伺服参数进行再次优化，直到圆度误差测量值在规定范围内为止，无需人工优化伺服参数。

2、提供专门的人机界面，友好、美观，操作简单，直观容易被用户接受。

3、通过工业以太网总线技术，实时采集传动机械装置位置信息，数据可靠性强。

4、CNC控制装置会自动分析记录测量结果，无需人工干预，保证数据的正确性；并根据采集到的数据自动分析计算圆度误差，具有智能化程度高及效率高的优点。

附图说明

图1是本发明装置的CNC控制装置组成框图。

图2是本发明装置第一个实施例的组成框图。

图3是本发明装置的圆度误差测量的流程图。

图4是本发明装置第二个实施例的组成框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1和2所示，本实施例公开了一种基于工业以太网总线的圆度误差测量装置，包括带有人机界面的CNC控制装置1和伺服驱动装置2，CNC控制装置通过伺服驱动装置与传动机械装置10连接，其特征在于，所述CNC控制装置包括圆度指令发送模块11、圆度误差测量模块17和图形显示模块16，圆度误差测量模块17包括依次连接的数据输入模块12、数据采集模块13、圆度分析模块14和数据输出模块15；数据输出模块15和圆度指令发送模块11分别与图形显示模块16连接，数据输入模块12和圆度指令发送模块11连接，数据输入模块12和圆度指令发送模块11通过工业以太网与伺服驱动装置2连接；数据输入模块12通过工业以太网总线与伺服驱动装置实现相互通信；圆度指令发送模块11圆度指令发送给伺服驱动装置的同时也发送给了数据输入模块；

伺服驱动装置2包括依次连接的位置控制器4、速度控制器5、电流控制器6、功率放大器7、伺服电机8以及反馈检测装置9，CNC控制装置1中圆度指令发送模块11通过工业以太网总线与位置控制器4连接，将圆度指令发送给位置控制器4，功率放大器7和反馈检测装置9分别与伺服电机8连接，伺服驱动装置2通过伺服电机8与传动机械装置10连接。

伺服电机8通过反馈检测装置9分别与位置控制器的4输入端及速度控制器5的输入端连接，将传动机械装置10位置信息及伺服电机的运转速度信息反馈给位置控制器4及速度控制器5，功率放大器7的输出端与电流控制器6的输入端连接，将功率放大器7输出的电流参数值反馈给电流控制器6，其中本实施例中的反馈检测装置为光电编码器，也可以是其他的编码器。其中图1中的PG指的是反馈检测装置。

将控制机床的传动机械装置10通过伺服驱动装置与CNC控制装置连接起来。CNC控制装置上有一个圆度误差测量人机界面，无需人工编程，只需在界面对平面、顺逆圆、采样周期、圆半径R、进给速度F、放大倍数等参数进行简单设置，通过CNC装置中的圆度指令发送模块将圆度指令通过伺服驱动装置发送给传动机械装置，即可模拟圆周切削运动圆，并通过工业以太网总线技术实时采集传动机械装置位置信息，圆度指令发送模块同时将圆度指令发送给圆度误差测量模块17，圆度误差测量模块17通过数据采集模块采集圆度指令发送模块发送的圆度指令及传动机械装置的位置信息，并且通过圆度误差测量模块17的圆度分析模块自动分析计算出圆度误差值，并在CNC控制装置上绘制出圆误差分布图，通过图形显示模块16显示圆度分析结果。本实施例的圆度指令发送模块11也将其发送的圆度指令发送到图形显示模块，通过CNC控制装置的人机界面显示理论的圆度。

如图3所示，本发明的基于总线的圆度误差测量方法，包括以下步骤：

(1)通过工业以太网总线把伺服驱动装置当前经过优化后的伺服参数信息下载到CNC控制装置；其中，伺服参数为速度比例增益、速度积分时间常数、转矩指令滤波、速度检测低通滤波和位置比例增益；

(2)进入CNC控制装置圆度误差测量人机界面；

(3)设定圆度误差测量各项参数值；

(4)判断当前输入的各项参数值是否符合数据范围，如果是，执行步骤(5)，如果否，执行步骤(3)；

(5)按下CNC控制装置的执行按钮，CNC控制装置运行当前选择的圆度指令，控制传动机械装置运动，CNC控制装置通过工业以太网总线实时采集传动机械装置位置信息；

(6)CNC控制装置根据采集到的传动机械装置位置信息，自动计算传动机械装置所运动的圆的圆心点及分析出该圆上的点，然后计算出该圆的圆上点与理论圆的点误差、最大误差和最小误差值等圆度误差数据；

(7)CNC控制装置根据圆度误差数据在圆度误差测量人机界面上显示出圆度误差分布图；

(8)根据圆度误差数据及圆度误差分布图形得出传动机械装置响应的同步性和响应的速度，判断当前圆度误差是否在规定要求范围内，如果是，执行步骤(10)，如果否，执行步骤(9)；

(9)对伺服驱动装置的伺服相关参数进行优化，执行步骤(1)；

(10)调试成功，圆度误差测量结束。

所述步骤(3)中，圆度误差测量的各项参数值分别是测试平面、圆的方向、采样周期、圆半径、进给速度、放大倍数。其中采样周期，需要根据圆半径及进给速度设定，半径越大，采样周期应越长；进给速度越慢，采样周期越长。放大倍数是指圆弧显示的分辨率。

所述步骤(4)中，圆度误差测量的参数值的数据范围分别是测试平面为G17(XY平面)、G18(ZX平面)或G19(YZ平面)，圆的方向为G02(顺时针)或G03(逆时针)，采样周期为1～10ms，圆半径为1～1000mm，进给速度为1～9999mm/min，放大倍数为1～9999。各平面圆度测试，默认铣圆参数进给速度为3000mm/min、圆半径为100mm。

所述步骤(8)中，各平面圆度误差测试在默认铣圆参数(进给速度3000mm/min和圆半径100mm)情况下，若圆度误差数据值在6μm范围以内可认为当前各传动机械装置的同步性较好，参数调试基本成功。

实施例2

如图4所示，本实施例与实施例1不同之处在于，本实施例装置的伺服驱动装置包含有两个反馈检测装置，分别为第一反馈检测装置20和第二反馈检测装置21，其中第一反馈检测装置20将伺服电机8与速度控制器5的输入端连接，将速度信息反馈给速度控制器5，第二反馈检测装置21连接在传动机械装置3上，传动机械装置3通过第二反馈检测装置21与位置控制器4连接，通过第二反馈检测装置21将传动机械装置3的位置信息反馈为位置控制器4。其中第一反馈检测装置20为光电编码器，第二反馈检测装置21为光栅尺。采用这种结构的伺服驱动装置2的位置精度更高。其中图中的第一PG指的是第一反馈检测装置，第二PG指的是第二反馈检测装置。

本实施例2的装置的圆度误差测量方法与实施例1相同。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于圆度误差测量装置的基于工业以太网总线的圆度误差测量方法，其特征在于，圆度误差测量装置包括CNC控制装置和伺服驱动装置，所述CNC控制装置通过伺服驱动装置与传动机械装置连接，所述CNC控制装置中包括圆度指令发送模块、圆度误差测量模块和图形显示模块，所述圆度误差测量模块包括依次连接的数据输入模块、数据采集模块、圆度分析模块和数据输出模块；所述圆度指令发送模块和圆度误差测量模块的数据输入模块连接，所述数据输入模块和圆度指令发送模块通过工业以太网总线与伺服驱动装置连接；所述CNC装置通过工业以太网总线与伺服驱动装置之间实现通信；所述圆度误差测量模块的数据输出模块和圆度指令发送模块分别与图形显示模块连接；

圆度误差测量方法包括以下步骤：

(1)通过工业以太网总线把伺服驱动装置当前经过优化后的伺服参数信息下载到CNC控制装置；

(2)进入CNC控制装置圆度误差测量人机界面；

(3)设定圆度误差测量的各项参数值；

(4)判断当前输入的参数值是否符合数据范围，如果是，执行步骤(5)，如果否，执行步骤(3)；

(5)CNC控制装置运行当前选择的圆度指令，控制传动机械装置运动，CNC控制装置通过工业以太网总线实时采集传动机械装置位置信息；

(6)CNC控制装置根据采集到的传动机械装置位置信息，自动计算传动机械装置所运动的圆的圆心点及分析出该圆上的点，然后计算出该圆与理论圆的圆度误差数据；

(7)CNC控制装置根据圆度误差数据在圆度误差测量人机界面上显示出圆度误差分布图；

(8)根据圆度误差数据及圆度误差分布图形得出传动机械装置响应的同步性和响应的速度，判断当前圆度误差是否在规定要求范围内，如果是，执行步骤(10)，如果否，执行步骤(9)；

(9)对伺服驱动装置的伺服参数进行优化，执行步骤(1)；

(10)调试成功，圆度误差测量结束。

2.根据权利要求1所述的基于工业以太网总线的圆度误差测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中圆度误差测量的各项参数值分别是测试平面、圆的方向、采样周期、圆半径、进给速度、放大倍数；其中采样周期根据圆半径及进给速度设定，半径越大，采样周期应越长；进给速度越慢，采样周期越长；放大倍数是指圆弧显示的分辨率。

3.根据权利要求2所述的基于工业以太网总线的圆度误差测量方法，其特征在于，所述圆度误差测量的各项参数值的数据范围分别是测试平面为XY平面G17、ZX平面G18或YZ平面G19，圆的方向为顺时针G02或逆时针G03，采样周期为1～10ms，圆半径为1～1000mm，进给速度为1～9999mm/min，放大倍数为1～9999。

4.根据权利要求3所述的基于工业以太网总线的圆度误差测量方法，其特征在于，各平面圆度测试，默认铣圆参数进给速为3000mm/min、圆半径为100mm。

5.根据权利要求3所述的基于工业以太网总线的圆度误差测量方法，其特征在于，所述步骤(8)中，各平面圆度误差测试在默认铣圆参数的情况下，即进给速度为3000mm/min、圆半径为100mm时，若圆度误差数据小于或等于6μm，则表示当前各传动机械装置达到相应的同步性。

6.根据权利要求1所述的基于工业以太网总线的圆度误差测量方法，其特征在于，所述圆度误差数据包括传动机械装置运动的圆的圆上点与理论圆的点误差、最大误差和最小误差值。

7.根据权利要求1所述的基于工业以太网总线的圆度误差测量方法，其特征在于，所述伺服参数为速度比例增益、速度积分时间常数、转矩指令滤波、速度检测低通滤波和位置比例增益。