基于OPC数据的数控机床精度状态实时测评方法*

杜柳青，余永维，袁冬梅

(重庆理工大学 机械工程学院，重庆 400054)

基于OPC数据的数控机床精度状态实时测评方法*

杜柳青，余永维，袁冬梅

(重庆理工大学 机械工程学院，重庆 400054)

为实现主动预防或主动维修，保证加工质量，提出一种基于OPC和圆运动信息的数控机床误差实时测评方法。建立基于圆信息的机床运动误差分析模型，提出用实时圆信息数据进行数控机床精度状态测评的方法；采用ePS等高端OEM电子检测服务平台思想，设计基于OPC的误差变量实时采集策略，以获得稳定实时圆信息数据，实现对数控机床精度状态的准确测评。实验表明，该方法能实时提取圆运动数据，准确分析直线度、垂直度等数控机床精度，效果好，适用性强。

机床精度；OPC； 圆信息；误差模型；运动误差

0 引言

生产现场的实时数据信息是制造过程最基本、最主要的信息。在影响机床加工精度的因素中，起支配作用的是运动精度，如果机床存在运动误差，复映到加工形状上，导致加工误差增大。对数控机床实时精度数据进行采集以供精度测评，能做到主动预防或维修，保证加工质量，提高生产效率和企业效益。

采用专门仪器对数控机床精度进行检测是保证机床加工质量的重要手段。对数控机床精度检测的主要工具是球杆仪、激光干涉仪等测试仪器，价格昂贵且停机检验耗时长，操作上需要熟练技术人员，很难实现自动化和省工省力。而机床使用企业尤其中小企业普遍对检测设备购置成本和停机损失敏感，如何在不影响正常生产的情况下获得有效的机床精度保证或状态预警，寻找替代技术和方法，是机床使用企业亟需解决的一个重要课题[1]。

对于数控机床数据采集，通常采取外置转矩、加速度、位移、切削力等传感器获取设备状态数据[2]，但其成本高、安装不便、需要较高数据传输带宽等局限性使得对机床信息的实时采集较难。文献[3]通过OEM软件包如Fanuc数据开发库文件，针对大型数控机床提取转矩、位置、瞬时加速度等内置传感器信息，对机床进行了旋转轴C恒速空载测试分析、直线轴润滑特性测试、直线轴偏心力误差特性测试，其数据获取原理简单，信噪比高；文献[4]采用Siemens ePS高端电子监测服务平台进行了机床恒速轴测试、圆度测试等机床特性测试和分析。文献[2，4]的研究均能有效反映机床的实际状态，但一般企业难以承受OEM软件购置费用及其在线持续使用费用。文献[5-6]通过对主轴箱体、导轨滚动块、直线坐标驱动等装置加装传感器采集数控机床力、振动、温度和噪声信号，有效建立了机床的信息模型。文献[7]设计的嵌入式Linux数控机床远程监控可采集机床PLC发出的报警信息。文献[8]通过DNC控制方式，并加装底座、钢板、激振器等采集了机床的一些故障信息。文献[7-8]由于需对机床进行拆装并改变机床部分结构，实用度不高且会影响机床现有结构精度，或者只能采集来自PLC的逻辑信息，具有一定的局限性。

数控机床自身的检测功能形成闭环反馈系统，即对机床内部状态数据的实时采集有可能实现全自动化。本文研究了数控机床运动误差测试原理，针对开放式数控系统，采用ePS等高端OEM软件包思想，提出了不影响机床原有运行的情况下，深入进给系统软硬件的底层，基于OPC的机床精度信息采集策略。数据提取方法简单可靠，提供了省时省力地对机床的运动精度进行自动化监控，为普通制造企业对机床提供精度判断依据的快捷方法。

1 数控机床运动误差分析方法

1.1 运动误差的矢量表示方法

机床误差以误差矢量表示。以立式加工中心为例，安装于工作台上的工件某点为PW(XW,YW,ZW)，主轴刀基点为PT(XT,YT,ZT)。用O表示机械原点，用A、B、C表示沿X、Y、,Z轴进给的移动件与进给丝杠接触的中间点。以PW为原点建立工件坐标系，主轴刀基点PT的指令位置可用(X,Y,Z)表示，而实际的位置为(X′,Y′,Z′)。则用C=(Cx,Cy,Cz)定义指令位置(X,Y,Z)的误差矢量，其中Cx=X′-X，Cy=Y′-Y，Cz=Z′-Z。

设X、Y、,Z为进给方向；x、y、z为平移误差的方向；a、b、c为绕X、Y、Z轴的旋转。而各轴进给运动对应的平移误差矢量由矢量Ei=(exi,eyi,ezi)，i=X,Y,Z表示；各轴进给运动对应的回转误差由矢量Ri=(ai,bi,ci)，i=X,Y,Z表示，则误差矢量可表示为

C=-EX-EY+EZ-RX×APG-RY×BPG+RZ×CPZ

(1)

这里APG、BPG、CPZ是位置矢量，如APG是从点A到工件上点PG的位置矢量。

1.2 基于圆运动的运动误差分析模型

在具有与圆弧插补功能的数控机床上，圆弧插补中的运动误差可通过测量主轴前端(或刀具前端)至工作台上的圆弧中心的距离变动来检测。利用该运动误差轨迹不仅能评价运动精度，而且通过对该运动轨迹的解析能够诊断运动误差产生的原因。

在以PW(XW,YW,ZW)为原点的工件坐标系，编制数控程序，使刀基点PT(XT,YT,ZT)以PW(XW,YW,ZW)为圆心，R为半径做圆弧插补运动。根据勾股定理，有

R2=(XT-XW)2+(YT-YW)2+(ZT-ZW)2

(2)

[(XT+CxT)-(XW+CxW)]2+[(YT+CyT)-

(YW+CyW)]2+[(ZT+CzT)-(ZW+CzW)]2

(3)

ΔR为由于误差产生的半径误差。将式(3)代入式(2)，忽略小值误差自乘项，可得

(ZT-ZW)(CzT-CzW)]

(4)

式(4)为DBB机床精度测量法的基本表达式[9]，对于诊断机床的运动误差准确可靠。DBB法可以在球体的任意截面上进行，即在三轴联动加工中心上进行。考虑多种误差并存和操作可行性，可以固定机床的一个轴后在平面上进行圆周测量，使用式(4)三项中的两项组合构成公式进行计算，然后将三个正交平面测量结果组合起来进行空间运动精度评价。

1.3 精度状态分析

数控机床运动误差来源包括直线度误差、垂直度误差、反向间隙、反向跃冲等。以直线度误差为例，直线度误差是由于导轨加工时产生的，在装配和安装时也会产生。如果结构件内应力消除不充分，机床使用过程出现结构变形，也会导致导轨直线度误差。设X轴在Z轴方向存在二阶直线度误差，X轴存在一向Z轴a角度的偏移，则在+Z方向hmm位置处会产生平移误差EX=(0,0,aX2)和回转误差bX=-2a·(-X)，则误差矢量

C=(-2ahX,0,-aX2)

将误差矢量C代入式(4)，则得直线度误差

ΔR=-2ahRcos2θ-aR2sinθcos2θ

(5)

同理，可得到存在垂直度误差、反向跳动误差、失步量、伺服不匹配误差等精度状态。据此，可为机床使用厂家为机床精度问题探索一条可靠的途径。

2 基于OPC的实时数据采集策略

2.1 数据交换策略

本文采用ePS等高端OEM平台思想，提出基于OPC(OLE for Process Control)技术获取数控机床的编码器、光栅尺等机床本体信息，以期建立其与机床精度状态的关联关系。OPC是以Microsoft公司的OLE/COM技术为基础，采用客户/服务器模型，制定的一种工业控制领域的开放式标准，它包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统。利用OPC技术，可以对数控机床及其驱动程序进行封装，形成OPC服务器。按照OPC定制接口数据访问规范，OPC数据访问服务器中包含三种对象，分别是服务器对象(Server)、组对象(Group)和项对象(Item)，其结构如图1所示。

图1 OPC数据访问一般结构

Server对象和Group对象都只是逻辑概念，需要完成与客户程序的交互，但不与特定的现场设备产生联系。Item对象是服务器端定义的对象，客户不与其直接交互。OPC服务器向下对数控机床数据进行采集，向上与OPC客户应用程序通信完成数据交换。本文针对机床的精度数据监控在某国产高档数控机床上进行，其数控系统采用开放式数控系统西门子840D。一般计算机均配备RS232接口，而西门子产品多是MPI或Profibus子网，因此需要进行通讯协议的转换。基于OPC服务的应用程序与NC/PLC数据交换模式如图2。

图2 OPC与应用程序数据交换模式

机床的精度数据采集框架设计如图3所示。OPC服务器屏蔽了现场层的设备驱动程序，客户应用程序开发人员看到的，只是OPC服务器提供的统一接口，而不必再去关心现场设备的驱动程序。只要客户应用程序符合OPC接口规范，就可以与OPC服务器进行数据交换。客户程序用VB实现对控制文件的编写和修改，与HMI集成，同时实现操作画面的嵌入。

图3 机床精度OPC数据采集框架

2.2 精度模型采集变量的确定

西门子的数控实时操作系统(NC Realtime Kemal，NCK)中的变量始终按所定义的模式分配地址，存储在数据块中，数据块分配给NCK不同的区域。在每个区域，变量一般以结构形式存储，或者以结构的阵列(表)存储。在存取一个变量时，在地址中必须包含以下信息：区域+区域号、模块、变量名、行号。实现对机床误差数据的实时采集，需要采集系统参数内反映位置精度的变量。840D系统参数包含用于生产、安装、调试用的机床数据，以及机床使用过程中需要设定的数据。变量种类繁多，包括轴基本设定数据、方式组数据、通道数据、主轴驱动数据、MMC数据、NC数据、刀具数据、进给驱动数据等，分别分布于系统变量A、B、C、H、M、N、T、V区。其中的状态变量如NCK状态、方式组、指定通道状态、进给驱动状态和主轴驱动状态等数据会随着系统内部状态和操作变化。如要读取通道3第三轴的速度则应该这么读取：/Channel/MachineAxis/actFeedRate[u3,3]，即读取通道数据(C区数据)，且读取通道数据下机床轴状态数据，且读取机床轴状态数据中通道3的3号轴进给率数据[10]。

由式(4)可知，基于圆弧插补运动的运动精度数据采集，需要采集的状态量对应的OPC数据项Item的ID，如表1。

表1 状态变量Item的ID

为减轻OPC服务器和OPC应用程序的通信负载，避免不必要的数据传输，需配置OPC服务器支持死区属性。即当数据类型为模拟量时，若新采集数据值与上一次数据值之差的绝对值，小于预先设定的浮动值，则OPC服务器不必更新缓冲区的数据，也不必通知OPC应用程序。通过无视模拟值的微小变化以减轻OPC服务器和OPC应用程序的通信负载。此外，在出现无效数据包时，为防止阻塞通信线路，影响系统整体性能，需要对数据重新读取次数进行动态设置。OPC服务器同时还需处理数据读写操作的优先级问题，协调好正常的参数采样顺序和采样频率。

3 试验分析

3.1 NC程序与误差信息获取

由于高速时传动误差测量可能受到振动和弹性变形的影响，照Munro的观点，噪声问题在轻载时更突出，空载传动误差曲线常常是最富有意义的[11-12]。因此，试验条件采用空载、XOY平面、插补半径R=100mm。根据基于圆信息的机床运动误差模型分析，编制圆弧插补程序如下：

G54 G90 G17 M05 M19 F500;(建立工件坐标系，采用绝对坐标，关闭并锁紧主轴，XOY平面，以500mm/min进给)

G01 X-100.0 Y3.0 Z0.0;(移到起始点)

G01 Y0.0;(切向进入)

G03 I100.0 J0.0(360度逆时针圆弧)

G03 I100.0 J0.0(360度逆时针圆弧)

G01 Y-3.0(切向切出)

M30(程序结束)

如图4所示，程序按照S-S1-S2-S3-S4-S1-E的逆时针轨迹，使刀基点GT绕工件坐标原点GW的圆弧插补做圆弧3mm长度的切线切入和切出，并连续运行两轴，有助于采集半径为100mm圆弧插补位置数据时保证机床已获得恒定的速度，并利于减小机床振动趋势。

图4 圆弧插补程序轨迹

数据采集界面显示如图5。采取多次重复试验，以获得数据的一致性和稳定性。

图5 程序运行界面

采取多次重复试验，以获得数据的一致性和稳定性。提取的数据如图6。

图6 采集数据

3.2 数据分析

对图6所示数据，根据的基于圆信息的误差模型，分析该机床XY平面存在的直线度误差、垂直度误差、反向跳动误差、失步量、伺服不匹配误差等精度状态信息，获得该机床在XY平面的主要运动误差：XY轴间存在82μm/150mm的尺度误差，X轴存在二阶直线度误差，象限改变时有台阶(X轴10μm、Y轴8μm)，象限改变时有突起(X轴12μm、Y轴6μm)，XY轴的伺服增益失配1.6%。通过以上分析，能实时掌握该机床的精度状态，并采取主动措施；如对该机床的周期测评数据进行比较，还能充分掌握该机床的精度变化情况。

4 结论

(1)本文采用数控机床自检测闭环控制系统的数据采集策略，不影响机床原有运行状态和结构精度状况，对于后续精度状态溯因提供了稳定可靠的数据，实用性好。对于中小企业对机床的使用过程状态监控，操作性能强，性价比高。

(2)基于OPC的机床精度信息采集采用ePS等高端OEM软件包思想，深入进给系统软硬件的底层，获取数据稳定可靠，达到了预期的效果和设计要求。

(3)鉴于圆插补数据对机床精度性能变化的全面反映，建立了圆运动轨迹与运动误差的关联模型，使得获取的信息提供了良好的运动误差快速溯因依据。国产高档数控机床的运动精度评估一直是国内外研究的热点和难点，课题下一步将针对采集数据，按照前述机床运动误差模型，以识别微弱信号的混沌算法进行机床误差溯因分析。

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(编辑 赵蓉)

The Real-time Evaluation Method of CNC Machine Tool Precision State Based on OPC Data

DU Liu-qing，YU Yong-wei，YUAN Dong-mei

(College of Mechanical Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

To realize active prevention or repair and ensure the machining quality, a real-time precision evaluation of the CNC machine tool was proposed based on OPC and circular motion information. The motion error analysis model of NC machine tool was established base on circle information. The analysis method of NC machine tool accuracy state was proposed with the real time circle information date. Referring the ideas ePS and other high-end OEM electronic detection service platform, an error variable real-time acquisition strategy based on OPC was designed to obtain stable real-time data of the circle information and realize evaluation on the movement precision of CNC machine tool. Experiments show that the method can extract circular motion data in real time and analyze accurately the accuracy of CNC machine tools, such as straightness. The performance of this method is good, and its applicability is strong.

machine tool precision; OPC; circular information; error model; motion error

1001-2265(2014)06-0046-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.013

2014-01-22

国家自然科学基金(51305476)； "高档数控机床与基础制造装备"国家科技重大专项课题 (2012ZX04011-031)

杜柳青(1975—)，女，重庆长寿人，重庆理工大学副教授，工学硕士，研究方向为机床精度设计，(E-mail)lqdu1@126.com。

TH166;TG65

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