基于OPC数据的数控机床精度状态实时测评方法.pdf

第 6期 2 0 1 4年 6月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M a c h i n e To o l Aut o ma t i c M a n u f a c t ur i n g Te c hn i q ue No ． 6 J u n ．2 0 1 4 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 4 0 6 0 0 4 6 0 5 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． c n k i ． m m t a m t ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 1 3 基于 O P C数据的数控机床精度状态实时测评方法 术 杜柳青， 余永维， 袁冬梅 重庆理工大学 机械工程学院， 重庆4 0 0 0 5 4 摘要 为 实现主动预 防或主动维修 ， 保证加 工质量 ， 提 出一种基 于 O P C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 e P S等 高端 O E M 电子检测服务平台思想， 设计基于 O P C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。 关键词 机床精度 ； O P C；圆信息； 误差模型 ； 运动误差 中图分类号 T H1 6 6 ； T G 6 5 文献标识码 A Th e Re a i ． t i m e Ev a l u a t i o n M e t ho d o f CNC M a c h i n e To o l Pr e c i s i o n S t a t e Ba s e d O U OPC Da t a DU | J i u q i n g， YU Yo n g we i ， YUAN Do n g me i C o l l e g e o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， C h o n g q i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 5 4 ， C h i n a Ab s t r a c t To r e a l i z e a c ti v e p r e v e n tio n o r r e p a i r a n d e n s u r e t h e ma c h i n i n g q u ali t y，a r e a l t i me p r e c i s i o n e v a l u a ti o n o f the CNC ma c h i n e t o o l wa s p r o p o s e d b a s e d o n OP C a n d c i r c u l a r mo t i o n i n f o r ma t i o n．Th e mo ti o n e r r o r a n a l y s i s mo d e l o f NC ma c h i n e t o o l wa s e s t a b l i s h e d ba s e o n c i r c l e i n f o rm a t i o n．Th e a n a l ys i s me t h o d o f NC ma c h i n e t o o l a c c u r a c y s t a t e wa s p r o p o s e d wi t h the r e al t i me c i r c l e i n f o r ma t i o n d a t e．Re f e r r i n g the i d e a s e P S a nd o t h e r h i g h． e n d OEM e l e c t r o n i c d e t e c t i o n s e r v i c e p l a t f o r m ．a n e r r o r v a r i a b l e r e a l t i me a c q u i s i t i o n s t r a t e g y b a s e d o n OPC wa s d e s i g n e d t o o b t a i n s t a b l e r e a 1 ．． t i me d a t a o f t h e c i r c l e i n f o r ma t i o n a n d r e ali z e e v a1． ． ua t i o n o n the mo v e me n t p r e c i s i o n o f CNC ma c hi n e t o o 1 ．Ex p e r i me n t s s ho w t h a t the me t h o d c a n e x tra c t c i r - c u l a r mo t i o n d a t a i n r e a l ti me a n d a n a l y z e a c c u r a t e l y t h e a c c u r a c y o f CNC ma c h i n e t o o l s ．s u c h a s s t r a i g h t n e s s ．Th e p e r f o rm an c e o f t h i s me tho d i s g o o d．a n d i t s a p p l i c a b i l i t y i s s tro n g． Ke y wo r d sma c h i n e t o o l p r e c i s i o n；OPC；c i r c u l a r i n f o rm a tio n；e rro r mo d e l ；mo tio n e r r o r O 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 J 。 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 ， 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 O E M 软件包如 F a n u c 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 S i e m e n s e P S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 O E M软件购置 收稿 日期 2 0 1 40 1 2 2 基金项目 国家自然科学基金 5 1 3 0 5 4 7 6 ；” 高档数控机床与基础制造装备” 国家科技重大专项课题 2 0 1 2 z x 0 4 0 1 1 0 3 1 作者简介 杜柳青 1 9 7 5 一 ， 女 ， 重庆长寿人 ， 重庆理工大学副教授 ， 工学硕士 ， 研究方向为机魔 精度设计 ， Ema i l l q d u 1 1 2 6 ． c o rn。 2 0 1 4年 6月 杜柳青， 等 基于 O P C数据 的数控机床精度状态实时测评方法 4 7 费用及其在线持续使用费用。文献 [ 5 ] 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 L i n u x数控机 床远程监控可采集机床 P L C发 出的报警信息。文献 [ 8 ] 通过 D N C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P L C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 e P S等高端 O E M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 O P C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 P x ， y ， Z ， 主轴刀基点为 P ， Y r ， Z 。用 0表示机械原点 ， 用 A、 B、 c表示沿 、 l ， 、， z轴进给的移动件与进给 丝杠接触的中间点。以P 为原点建立工件坐标系， 主 轴刀基点 P 的指令位置可用 X， Y ， Z表示 ， 而实际 的位置为 ， l ， ， Z 。则用 C ， C ， 定义指 令位置 ， y ， z 的误差矢量 ， 其中 C X X， C Yt～Y 。Cz Z 一 z o 设 、 y、， Z为进给方 向 ； 、 Y、 z 为平 移误差 的 方向； o、 b、 c 为绕 、l ， 、 z轴 的旋转。而各轴进给 运动对应的平移误差矢量由矢量 E e ⋯e ， e ， i ，y ， Z表示 ； 各轴进给运动对应 的回转误差由矢量 R 口 ， b ， C ， i ， Y ， Z表示 ， 则误差矢 量可表 示 为 C 一 E Ey Ez R APG RyBPG Rz X C Pz 1 这里 AP 。、 P。、 C ．P 是位置矢量， 如 A 是从 点 A到工件上点 P 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 P ， y ， Z 为原点的工件坐标系 ， 编制 数控程 序 ， 使 刀基 点 P X ， Y r ， Z 以 P X ， Y ， Z 为圆心 ， R为半径做圆弧插补运动。根据勾股定 理 ， 有 R x rx Y rY Z rZ 2 由于误 差 的存 在， P 在机 床上 的实 际位置 为 P ， Y ， Z ； P 蜀 ， Y r ， Z 在机床上 的位置 为 P X ， Y ， Z 。定义误差矢量在点 P 点处为 c C ， C ， C ， 在 P 点处为 c c C ， C ， 则 有 R△ X ～X 1 ， y Z r ～Z [ ，c ， 一 c ] [ y C y ， 一 Y wC w ] [ Z c 一 Z c ] 3 △ 为由于误差产生的半径误差。将式 3 代人 式 2 ， 忽略小值误差 自乘项 ， 可得 1 A R亡[ 一 X C r C x Y r y C r C jL Z 一Z C 一C ] 4 式 4 为 D B B机床精度测量法的基本表达式 j ， 对于诊断机床的运动误差准确可靠。D B B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 轴在 z轴方向存在二阶直线度误差 ， 轴存在一向 z 轴 n角度的偏移 ， 则在 z方向 h mm位置处会产生平 移误 差 E 0 ， 0 ， a X 和 回转误 差 b 一2 a 一 ， 则误差矢量 C 一2 a h X， 0 ， 一。 将误差矢量 C代人式 4 ， 则得直线度误差 A R 一2 a h R c o s 0一a R s i n 0 e o s 0 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 OP C的实时数据采集策略 根据式 4 可知 ， 获取在线精度数据 问题的关键 在于如何实时获取有用可靠 的位置信息 ， 即机床做插 补运动时的实 时 P ， y ， z 和 P X ， Y ， Z 信息， 也即设固定 z轴做平面圆周运动下 ， Y 值和 X ， Y 值。加装传感器会破坏机床现有 4 8 组合机床与自动化加工技术 第6期 结构和稳定性 ， 而文献[ 3 _ 4 ] 采用的如 e P S高端电子检 测服务平台， 能可靠获得机床内置位置数据 ， 有效反映 机床实际状态 ， 但一般企业难以接受其费用。精度数 据的采集包括机床状态数据和现场数据 ， 状态数据需 采集相应开关量如主轴启动和停止 、 换 向等 ， 现场数据 主要需采集轴实时位置 ， 且数据需满足实时获取和高 速处理要求。 2 ． 1 数据交换策略 本文采用 e P S等高端 O E M平 台思想 ， 提 出基于 O P C O L E f o r P r o c e s s C o n t r o 1 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。O P C是 以 Mi c r o s o f t 公 司的 O L E ／ C O M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 O P C技术， 可以对数控机床及其驱动程序进行封 装， 形成 O P C服务器。按照 O P C定制接口数据访问规 范， O P C数据访问服务器中包含三种对象， 分别是服务 器对象 S e r v e r 、 组对象 G r o u p 和项对象 I t e m ， 其 结 构如 图 1 所示 。 霪 糍 、r _ 信 息 和 数 据 组 织 结 构 ， 创 j ＼ 三兰兰 、 、 建和管理G m u p 对象 一 P c 坚 一- - 一 一 。 。 。 】 L 堕 十 一 、 1 生 竺 ， ， 代 表与 特 定 数 据 源的 连接 ，一 ．．． 、， ⋯～ 指向设备的个寄存器单元 ， ，管 逦 p 对 象 部 状 态 信 意 。 1-_女 。 一 个 c “ a n n e 或 一 -P ／o 8 创建和管理I t e m对象，完成 、 、 。 ’ 。 一一 - - ～／ ～一 图 1 OPC数 据 访 问一 般 结构 S e rve r 对象 和 G r o u p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。I t e m对象是服务器端定义的对象 ， 客户不与其 直接交互。O P C服务器 向下对数控机床数据进行采 集 ， 向上与 O P C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 8 4 0 D。 一 般计算机均配备 R S 2 3 2接 口， 而西 门子产 品多是 MP I 或 P r o fi b u s 子网， 因此需要进行通讯协议 的转换。 基于 O P C服务的应用程序与 N C ／ P L C数据交换模式 如 图 2 。 图 2 OP C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。O P C 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 O P C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 O P C接口规范， 就可以与 O P C服务器进行数 据交换。客户程序用 V B实现对控制文件的编写和修 改 ， 与 H MI 集成 ， 同时实现操作画面的嵌入。 以太网 B 主程序 圆弧插补N C 程序 图 3 机床精度 O P C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 N C R e a l t i m e K e ma l ， N C K 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 N C K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。8 4 0 D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、 N C数据 、 刀 具数据、 进给驱动数据等 ， 分别分布于系统变量 A、 日、 C 、 日、 M、 N、 T 、 V区。其中的状态变量如 N C K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 ／ C h a n n e l ／ Ma c h i n e A x i s ／ a c t F e e d R a t e [ “ 3 ， 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 。 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 O P C数据项 I t e m的 I D， 如表 1 。 2 0 1 4年 6月 杜柳青 ， 等 基 于 O P C数据的数控机床精度状态实时测评方法 4 9 表 1 状态变量 I t e m的 I D 需要提取的 变量 变量 I t e m的 I D 操作模式 ” ／ b a g ／ s t a t e ／ o p m o d e ” 刀基点 轴 实际位置 ／ C h a n n e l ／ G e o m e t r i c A x i s ／ a c t T o o l B a s e p o s [ u l ， 1 ] 刀基点 Y轴 实际位置 ／ C h a n n e l ／ G e o m e t r i c A x i s ／ a e t T o o l B a s e p o s [ u l ， 2 ] 刀基点 Z轴 实际位置 ／ C h a n n e l／ G e o m e t r i c A x i s ／ a c t T o o l B a s e p o s [ u l ， 3 ] 主轴驱动 负载 ／ C h a n n e l／S p i n d l e ／ d r i v e L o a d [ u l ， 1 ] 轴进给率 ／ C h a n n e l／G e o me t r ic A x i s ／ a c t F e e d R a t e [ u l ， 1 ] Y轴进给率 ／ C h a n n e l／ G e o me t r i c A x i s ／ a c t F e e d R a t e [ u l ， 2 ] z轴进给率 ／ C h a n n e l／ G e o m e t r ic A x i s ／ a c t F e e d R a t e [ u 1 ， 3 ] 为减轻 O P C服务器和 O P C应用程序的通信负载 ， 避免不必要的数据传输 ， 需配置 O P C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 O P C服务器不 必更新缓冲区的数据 ， 也不必通知 O P C应用程序。通过无视模拟值 的微小变化 以减轻 O P C服务器和 O P C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。O P C 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 Mu n r o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[ 1 1 - 1 2 ] 。因 此 ， 试 验条 件 采用 空 载、 X O Y平 面、 插 补半 径 R l O O m m。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 G 5 4 G 9 0 G 1 7 M 0 5 M1 9 F 5 O 0 ； 建立工件坐标系 ， 采用 绝 对 坐 标 ， 关 闭 并 锁 紧 主 轴 ， X O Y平 面 ， 以 5 0 0 m m ／ m i n进给 G 0 1 X一 1 0 0 ． 0 Y 3 ． 0 Z 0 ． 0 ； 移到起始点 G O 1 Y O ． 0 ； 切 向进 入 G O 3 I l O 0 ． 0 J O ． 0 3 6 0度逆 时针 圆弧 G 0 3 I 1 0 0 ． 0 j 0 ． 0 3 6 0 度逆时针圆弧 G O 1 Y一3 ． 0 切 向切 出 M 3 0 程序结束 如图 4所示， 程序按照 SS 1一s 2一s 3一．s 4一S 1 一 E的逆时针轨迹 ， 使刀基点 G T绕工件坐标原点 G W 的 圆弧插 补做 圆弧 3 m m长度 的切线切人 和切 出 ， 并 连 续运行两轴， 有助于采集半径为 l O O m m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 。 2 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 。 y _ ⋯ I I I ； ； 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 X Y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 X Y平面的主要运动误差 X Y 轴间存 在 8 2 ／ ． t m／ 1 5 0 m m的尺度误差 ， 轴存在二阶直线度误 差 ， 象限改变时有台阶 轴 1 m、 Y轴 8 ／ z m ， 象限改 变时有突起 轴 1 2 g m、 Y轴g m ， X Y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。 - 5 O 组合机床与自动化加工技术 第 6期 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 O P C的机床精度信息采集采用 e P S等高 端 O E M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。 [ 参 考文献] [ 1 ]苏宪利， 郑一麟． 基于 WE B的数控机床监控系统的设计与 实现[ J ] ． 组合机床与自动化加工技术， 2 0 1 3 6 5 8 6 1 ． [ 2 ]LIA N G S Y， H E c K E R R L ， L A N D E R S R G ． M a c h i n i n g p r o c e s s m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l T h e s t a t e ． o f - t h e a r t 『 J ] ． J o u r n a l o f M an u f a c t u r i n g S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， 5 1 2 2 9 7 3 1 0 ． [ 3 ]周玉清， 梅雪松， 姜歌东， 等． 基于内置传感器的大型数控机 床状态检测技术[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 9 ， 4 2 5 1 2 5 1 3 0 ． [ 4 ]周玉清， 梅雪松， 邢建辉， 等． 基于 e P S的大型数控机床状态 监测及其应用[ J ] ． 制造技术与机床 ， 2 0 o 9 2 1 0 4 1 0 7 ． [ 5 ]卢艳军． 数控机床状态监测系统的研究[ J ] ． 制造业 自动 化 ， 2 0 0 8 ， 8 3 0 3 4 3 6 ． [ 6 ]石荣波． 基于状态监测的高档数控机床智能保障系统研 究[ J ] ． 自动化与仪器仪表， 2 0 1 1 5 2 3 2 5 ． [ 7 ]王姣， 王诚． 基于嵌入式 L i n u x的数控机床远程监控[ J ] ． 计算机工程与设计， 2 0 1 0 ， 3 1 1 O 2 1 7 52 1 7 7 ， 2 2 6 1 ． [ 8 ]李华志． D N C控制方式的数控机床状态监控系统设计 [ J ] ． 制造技术与机床， 2 0 0 7 9 9 71 0 0 ． [ 9 ]垣野羲昭， 井原之敏， 葆原章翁． 基于球杆仪的数控机床 精度评价方法[ M] ． 西安 西安交通大学出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 1 0 ]储晓承． 开放式 C N C机床加工过程状态监测技术研究 [ D ] ． 南京航空航天大学 ， 2 0 1 1 ． [ 1 1 ]彭东林． 时栅位移传 感器与新型机床动态检测 系统 [ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 1 2 ]陈雷， 王忠东， 陈爽． 基于 L a b V I E W 的机床振动信号数 控库访问技术的研究[ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术， 2 0 1 3 7 9 2 9 3 ， 1 0 9 ． 编辑赵蓉 上接 第 4 l页 一。- l I _ ． ． ． - - - 一 。 一 一 - 一 - 一 - 一 ． ． ．- ． ． 一 一 ⋯- ⋯ ． - ． ．． H o fl l o n i c ma g n i t u d e● s● xo f t h e h J r d a me n t a i a m■ m咖 Vo l t a g e THD 2 ． 6 7 9 ％ b 谐波幅值占基波百分比 图 1 3表面式钕铁硼结构 对比图 1 2和图 1 3 可以得到内置式铁氧体永磁电机 的线反电动势波形畸变率为2 ． 7 3 8 ， 与表面式钕铁硼永磁 电机 的线反 电动势波形畸变率 2 ． 6 7 9 ％相差不大 。表 明 采用不均匀气隙可以有效改善永磁同步电机的空载气隙 磁密波形， 从而降低对应的线反电动势的总谐波畸变率。 5 结束语 针对内置切向式直驱永磁电机的转子磁路结构进 行了研究 ， 表明采用转子开口结构后 ， 内置切向式结构 的漏磁因数最大可以减少 1 2 ． 7 ％、 采用不均匀气隙后 空载气隙磁密波形的畸变率最大可以减少 5 0 ％， 但考 虑到气隙磁密基波幅值、 机械强度等因素的影响， 要适 当选取不均匀气隙的尺寸。最后对设计的内置铁氧体 永磁电机与表面式钕铁硼永磁电机进行了对 比， 两者 在体积相同的情况下线反电动势波形畸变率相差不 大。因而直驱永磁电机可以采用 内置式铁氧体永磁结 构来降低永磁电机的制造成本。 [ 参考文献] [ 1 ]唐 任 远． 稀 土永 磁 电 机 发 展综 述 [ J ] ． 电气 技 术 ， 2 0 0 5 4 1 6 ． [ 2 ]孙绪新， 周寿增． 稀土永磁电机的开发与应用 [ J ] ． 磁性材 料及器件 ， 2 0 0 5 ， 3 6 5 2 2 2 4 ． [ 3 ]黄建民， 贾延纲． 稀土永磁电机研究现状与发展[ J ] ． 装备 机械． 2 0 1 0 2 2 5 ． [ 4 ]唐任远． 现代永磁电机理论与设计[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 5 ]Y o n g L i ， J i n g w e i X i n g ， T i a n b a o Wa n g ， e t a 1 ． P r o g r a m ma b l e de s i g n o f ma g n e t s h a pe f o r pe r ma n e n t ma g ne t s y n c h r o n o us m o t o r s w i t h s i n u s o i d a l b a c k E MF w a v e f o r m s [ J ] ． I E E E t r a n s a c t i o n s o n ma g n e t i c s ， 2 0 0 8， 4 4 92 1 6 32 1 6 7 ． [ 6 ]C h a i t h o n g s u k S ， T a k o r a b e t N， M e i b o d y T a b a r F ．O n t h e u s e of p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n me t h od for t h e e l i mi n a t i o n of fl u x d e n s i t y h a r m o n i c s i n t h e a i r g a p of s u r f a c e P M m o t o r s [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n M a g n e t i c s ， 2 O 0 9 ， 4 5 3 1 7 3 6 1 7 3 9 ． 1 7 ]P i n g Z h e n g ， j i ng Z h a o ， J i a n q u n H a n ， e t a 1 ． O p t i m i z a t i o n of t h e ma g n e t i c p o l e s h a W of a p e e n t ma g n e t s y n c h r o n o u s mot o r l J I ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n M a g n e t i c s ， 2 0 0 7 ， 4 3 6 2 5 3 1 253 3 ． [ 8 ]王道涵， 王秀和， 丁婷婷， 等． 基于磁极不对称角度优化的 内置式永磁无刷直流电机齿槽转矩削弱方法[ J ] ． 中国 电机工程学报 ， 2 0 0 8 ， 2 8 9 6 6 7 0 ． [ 9 ]杨玉波， 王秀和， 丁婷婷． 基于单一磁极宽度变化的内置 式永磁 同步 电机齿槽转矩 削弱方法 [ J ] ． 电工技术学 报 ， 2 0 0 9 ， 2 4 7 4 1 4 5 ． [ 1 O ] 徐衍亮， 许家群， 唐任远．