数控机床振动测量和控制技术

随着行业、航空制造业对加工速度、加工精度和表面质量的要求愈来愈高以及高
速加工技术的发展，和制造商面临着如何在实现较高加工速度的同时保证加工

精度和表面质量的课题。

一般而言，数控机床的振动和震动有细微但很明确的区别（如图

1）：在电机

带宽以内的低频运动通常称之为振动，可以在保持机械结构不变的前提下进行
消除和抑制；高于电机带宽的高频运动通常称之为震动，往往需要对机械结构
进行修改，增加机械的刚性达到减轻振动的目的。数控机床或机器人的振动能够

增加工件加工时间、降低表面质量甚至精度。
本文将以五轴数控机床为例，重点介绍基于加速度传感器对高速数控机床进行

振动控制的新技术。

1.DAS（Direct Acceleration Sensor

）加速度传感器

传统中采用惯性测量单元（

IMU，Inertial Measurement Unit）可以进行惯

性乃至振动的测量。但是，由于惯性测量单元的尺寸较大、成本较高以及测量频
率范围过窄而难以用于数控机床和机器人行业。采用

DAS 加速度传感器可以很

好的适应数控机床应用，它具有尺寸紧凑（约

100x100x30 mm）和测量频

率范围近于电机频率（约

100 Hz）以及占用数控机床整机的成本较小（约占

整机成本

5%）等特点。同时，由于采用以太网（Ethernet）技术，DAS 加速

度传感器的数据采集频率约为

100 Mb/s，可以满足数控系统对采样周期的较

高要求。

在硬件结构上，

DAS 加速度传感器采用大量的平面线性加速度计进行排列，能

够进行直线加速度和角加速度的测量，可测量轴数达

个。在软件功能上，

DAS 加速度传感器中有丰富的 DAS API 库函数，能够通过 Ethernet UDP 和
简单的客户

/服务器协议与计算机进行通讯，允许用户在 Windows 和 Linux 下

开发多种应用，完成较为复杂的工作。
2.基于 DAS 加速度传感器估算 TCP

速度验证

通过加速度传感器的

DAS API 库，可以对采集到的加速度传感器的加速度信息

进行贝叶斯估算和传感器融合算法进行中心点

TCP 速度的估算。为验证加速度

传感器对

TCP 速度估算的有效性，特进行实验测试。在数控机床运行中，通过

DAS 加速度传感器将刀具中心点 TCP 的加速度读取到 Orchestra 运动控制平
台中进行速度估算，将此估算的结果与跟踪仪测量的结果进行对比，已达到验
证基于加速度传感器估算

TCP 速度的有效性（实验模型如图 3）。需要注意的是，

DAS 加速度传感器主要安装在刀具中心点 TCP

的附近位置。

在数控机床执行菱形运动轨迹时，分别通过

DAS 加速度传感器估算 TCP 速度

和激光跟踪仪在线测量

TCP 速度，测试条件为加速度值 7 m/s^2，加加速度

值

80 m/s^3，进行结果对比如图 4（蓝线-加速度传感器贝叶斯估算和融合算

法，绿线

-仅采用旋转编码器估算速度，红线-

激光干涉仪测量的真实速度）。