专利名称：精密伺服线性驱动系统性能试验装置及其试验方法
技术领域：
本发明是一种精密伺服线性驱动系统性能试验装置及其试验方法，特别 涉及一种能够模拟高档数控机床的线性(直线)进给系统工作状态，在承受 各种工作载荷、工作阻力、速度、加速度等情况下，能够开展精密伺服旋转 电机及其控制单元的驱动性能试验和参数测量，甚至能对相关零部件、某些 关键结构进行技术性能以及工作性能指标评定的试验装置及其试验方法。
背景技术：
作为装备制造业核心的数控机床正向高速、高效、高精度、智能化、复 合化、环保化方向发展。数控机床的伺服驱动系统一般由驱动控制单元、驱 动单元、机械传动单元、执行元件和检测反馈环节等组成。在各种数控机械
装备当中，除了某些超高速的场合用到AC直线电动机以外，仍大量采用由 旋转电机带动滚珠丝杠转动，然后由滚珠螺母带动工作台等执行构件做直线 运动的伺服驱动方式。
进行伺服驱动系统设计定型过程中，各组成单元的确定原则有所不同。 执行元件和检测反馈环节如精度、速度、加速度等指标由工作的功能决定， 在设计选型中为自变量。机械传动单元的选型取决于数控机床的伺服驱动的 工作性能要求，但一般滚珠丝杠螺母副等机械传动单元的性能适应域度很 宽，因此只对滚珠丝杠螺母副进行运动性能考核已基本足够。由于数控机床 的动作由伺服电机驱动，因此必须按照数控机床对伺服电机及其伺服驱动控 制单元提出的高要求，进行设计和选型。数控机床对伺服线性驱动系统的性能要求如下
1. 精度高。为了保证移动部件的位置精度和轮廓加工精度，要求有足够 的精度，而且在负载或工作阻力变化时有强的抗干扰能力，能够保持位置精 确、速度恒定。
2. 响应快。快速响应是伺服系统的动态性能，反映了系统的跟踪精度， 要求超调量小。目前数控机床的插补时间都在20ms以下，在如此短的指令 变化时间内，要求伺服电机迅速加减速。
3. 调速范围宽。目前数控机床要求进给伺服系统的调速范围一般是0— 40m/min,有的已达到240m/min。除了滚珠丝杠螺母副和减速器起到减速变 速作用外，伺服电机要有更宽的调速范围。
4. 大转矩。机床高速进给时，能带动必要的载荷实现加速启动，停机前 能快速急停。机床低速切削时，切深和进给量都较大，受到的阻抗力很大。 现代的数控机床，很多釆用伺服电机与滚珠丝杠联轴器直联，这就要求进给 电机能输出足够大的转矩。
5. 伺服刚度高。伺服刚度是指整个伺服系统，在受到扭矩、弯矩、切削 力、惯性力等外载荷的作用下，在规定的方向不产生位置偏差的能力，包括 有静态伺服刚度和动态伺服刚度。
6. 惯量匹配。移动部件加速和减速时都有较大的惯量，由于要求系统的 快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量匹配，通常要求驱 动电机的惯量不小于所有运动部件的惯量之和。
7. 抗过载能力强。由于电机加减速时要求有很快的响应速度，这时电机 可能在过载的条件下工作，因此要求电机有很强的抗过载能力。通常要求在 数分钟内过载4一6倍也不损坏。
随着现代数控机床的发展，为了实现高精度高效率的加工能力， 一方面 要求伺服驱动系统反应快，快速准确启停，缩短准备时间；另一方面还要求运动过程平稳，冲击小，在高速运行时，能实现平滑控制，-以防止产生高速 运行中的冲击和振动。再比如在龙门横梁移动型高速数控铣床中，当龙门跨
距大于2m时，必须采用双边同步系统驱动。对于主轴及主轴箱较重型的机 床，双边同步随动驱动系统釆用主从式交叉反馈原理控制， 一般应使得双边 的跟随误差小于0. Olmm。因此开展双边同步驱动技术试验同样有重要现实意 义。
目前，我国伺服驱动系统行业还没有专门的驱动性能试验装置，无法建 立行业标准，难以形成我国自主的伺服系统(含主轴)产品的性能表达和评 价方法。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种能对驱动系统的工作性能 进行检测，能够通过单因素法试验，验证各因素对系统综合技术性能产生影 响的精密伺服线性驱动系统性能试验装置。本发明有助于推动行业标准的建 立，有助于形成伺服系统产品的性能表达和评价方法。
本发明的另一目的在于提供一种简单方便的精密伺服线性驱动系统性 能的试验方法。
本发明的技术方案是包括有床脚及支承在床脚上的床身，其中床身上 安装有主丝杆导轨副及副丝杆导轨副，主伺服电机及副伺服电机分别装设在 主伺服电机安装座及副伺服电机安装座上，并分别通过联轴器与主丝杆导轨 副及副丝杆导轨副的丝杆连接，工作台及副工作台分别装设在床身的两侧， 驱动工作台及副工作台运动的主丝杆导轨副及副丝杆导轨副中的丝杆螺母 固紧在工作台和副工作台的下面，工作台上能安放各种质量大小的载荷，作 为位置反馈传感器的第一直线位移光栅尺的动子与工作台固紧，作为位置反 馈传感器的第二直线位移光栅尺的动子与副工作台固紧，第一直线位移光栅 尺及第二直线位移光栅尺的信号输出端与试验装置的控制器连接，第一直线位移光栅尺及第二直线位移光栅尺与上述主驱动单元和副驱动单元分别组 成全闭环精密伺服驱动系统。
上述主伺服电机及副伺服电机与联轴器之间及联轴器与丝杆之间以及 丝杆与丝杆螺母之间全部经过消除间隙处理。
上述副工作台上安装有模拟主轴，模拟主轴上能安装便于做位置精度测 量的测量基准。
上述副工作台能与工作台固定联结，能进行联合驱动，或与工作台脱开 联结，进行分别驱动控制。
上述第一直线位移光栅尺及第二直线位移光栅尺为精密直线位移光栅尺。
上述在试验台床身的 一端固定用于模拟切削阻力的阻力器。 上述阻力器为液压力装置，或是气压力装置。
.t述阻力器由缸简和活塞组成，缸筒的进油口通过单向阀与油泵连接， 且缸筒的进油口与单向阀之间连接有压力调压阀及压力表。
本发明精密伺服线性驱动系统性能试验装置的试验方法，其能进行如下
实验
1) 在工作台上安放各种质量大小的载荷的结构，模拟所要驱动的工件，然 后以各种设定的速度和加速度驱动工作台，通过精确测量工作台的定位精 度和运行精度，评定伺服系统的性能，进行伺服旋转电机及其控制单元的 驱动性能试验和参数测试；
2) 在各种设定条件下对系统的各组成环节进行技术评定，其具体为伺服 驱动系统中的驱动控制单元、机械传动单元、执行元件和检测反馈环节不 变的情况下，更换不同的被测伺服电机，从而评定伺服电机产品技术指标， 提供性能表达和评价方法依据。
3) 当工作台与副工作台固定联结，可进行联合驱动试验，当工作台与副工作台脱开联结，而且在各工作台上载荷不同的情况下由主伺服驱动系统和 副伺服驱动单元系统分别驱动控制，通过精密检测，进行同步驱动性能试 验。
4)在上述试验项目的基础上，通过施加阻力器进行如下试验
① 工作台以工作进给速度推动阻力器活塞，检测工作台的进给精度；
② 工作台被伺服锁死不动，由阻力器活塞施力于工作台，检测伺服系 统刚性；
③ 阻力器活塞施加能推动工作台的最大作用力，检测伺服系统的最大 输出推力。
通过本发明装置和试验方法，能够开展精密伺服旋转电机及其控制单元 的驱动性能试验和参数测量，并且在各种设定条件下对系统的各组成环节进 行技术性能评定。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的精密伺服 线性驱动系统性能试验装置及其试验方法。
图l为本发明的结构示意图； 图2为本发明阻力器的原理图。
具体实施例方式
实施例
本发明的结构示意图如图1、 2所示，包括有床脚12及支承在床脚12 上的床身1，其中床身1上安装有主丝杆导轨副5及副丝杆导轨副9，主伺 服电机8及副伺服电机8A分别装设在主伺服电机安装座7及副伺服电机安 装座7A上，并分别通过联轴器与主丝杆导轨副5及副丝杆导轨副9的丝杆 连接，工作台3及副工作台IO分别装设在床身1的两侧，驱动工作台3及 副工作台IO运动的主丝杆导轨副5及副丝杆导轨副9中的丝杆螺母固紧在 工作台3和副工作台10的下面，工作台3上能安放各种质量大小的载荷4，作为位置反馈传感器的第一直线位移光栅尺6的动子与工作台3固紧，作为 位置反馈传感器的第二直线位移光栅尺6A的动子与副工作台IO固紧，第一 直线位移光栅尺6及第二直线位移光栅尺6A的信号输出端与试验装置的控 制器连接，第一直线位移光栅尺6及第二直线位移光栅尺6A与上述主驱动 单元和副驱动单元分别组成全闭环精密伺服驱动系统。选型时根据可能产生 冲击力的大小选用具备足够的机械刚性的丝杆导轨副，精度级别与试验测试 精度相适应。床身l要有足够的刚性、抗弯性和吸振性；主丝杆导轨副5、 副丝杆导轨副9要具备足够的机械刚性，工作台3上可安放各种质量大小的 载荷4，以此模拟所要驱动的工件，伺服电机安装座作为机械接口可以方便 更换，从而安装不同被试电机。
上述主伺服电机(8)及副伺服电机(8A)与联轴器之间及联轴器与丝 杆之间以及丝杆与丝杆螺母之间全部经过消除间隙处理。
上述试验装置的控制器为数字控制器。
本实施例中，上述副工作台10上还安装有模拟主轴11，模拟主轴11 上能安装便于做位置精度测量的测量基准。上述副工作台10能与工作台3 固定联结，进行联合驱动试验，或与工作台3脱开联结，由主伺服驱动系统 和副伺服驱动单元系统分别驱动控制，进行同步驱动试验。在模拟主轴上容 易安装测量基准，便于做位置精度测量；因为在类似于龙门横梁移动型高速 数控铣床中，当龙门跨距大于2m时，必须采用双边同步系统驱动。对于主 轴及主轴箱较重型的机床，双边同步随动系统釆用主从式交叉反馈原理进行 控制， 一般所控制的跟随误差要求小于0.01mm。
本实施例中，上述第一直线位移光栅尺6及第二直线位移光栅尺6A为 精密直线位移光栅尺。
上述在试验台床身1的一端固定用于模拟切削阻力的阻力器2。上述阻 力器2为液压力装置，或是气压力装置。本实施例中，上述阻力器2由缸简和活塞组成，缸简的进油口通过单向阀14与油泵16连接，且缸简的进油口 与单向阀"之间连接有压力调压阀15及压力表13。通过压力调压阀15预 先设定压力的大小，从而调节施加在工作台上阻力的大小。
本发明精密伺服线性驱动系统性能试验装置的试验方法，其能进行如下 实验
1) 在工作台上安放各种质量大小的载荷的结构，模拟所要驱动的工件，然 后以各种设定的速度和加速度驱动工作台，通过精确测量工作台的定位精 度和运行精度，评定伺服系统的性能，进行伺服旋转电机及其控制单元的 驱动性能试验和参数测试；
2) 在各种设定条件下对系统的各组成环节进行技术评定，其具体为伺服 驱动系统中的驱动控制单元、机械传动单元、执行元件和检测反馈环节不 变的情况下，更换不同的被测伺服电机，从而评定伺服电机产品技术指标， 提供性能表达和评价方法依据。
3) 在上述试验项目的基础上，本发明精密伺服线性驱动系统性能试验装置 可通过阻力器能进行如下实验
① 工作台3以工作进给速度推动阻力器活塞，检测工作台进给精度；
② 工作台被伺服锁死不动，由阻力器活塞施力于工作台，检测伺服系 统刚性；
③ 阻力器活塞施加能推动工作台的最大作用力，检测伺服系统的最大 输出推力。
通过本发明装置和上述试验方法，能够开展精密伺服旋转电机及其控制单元 的驱动性能试验和参数测量，并且在各种设定条件下对系统的各组成环节进 行技术评定。例如，伺服驱动系统中的驱动控制单元、机械传动单元、执行 元件和检测反馈环节等不变的情况下，而更换不同的被测伺服电机，从而评 定伺服电机产品技术指标，提供性能表达和评价方法依据。
权利要求
1、一种精密伺服线性驱动系统性能试验装置，包括有床脚(12)及支承在床脚(12)上的床身(1)，其特征在于床身(1)上安装有主丝杆导轨副(5)及副丝杆导轨副(9)，主伺服电机(8)及副伺服电机(8A)分别装设在主伺服电机安装座(7)及副伺服电机安装座(7A)上，并分别通过联轴器与主丝杆导轨副(5)及副丝杆导轨副(9)的丝杆连接，工作台(3)及副工作台(10)分别装设在床身(1)的两侧，驱动工作台(3)及副工作台(10)运动的主丝杆导轨副(5)及副丝杆导轨副(9)中的丝杆螺母固紧在工作台(3)和副工作台(10)的下面，工作台(3)上能安放各种质量大小的载荷(4)，作为位置反馈传感器的第一直线位移光栅尺(6)的动子与工作台(3)固紧，作为位置反馈传感器的第二直线位移光栅尺(6A)的动子与副工作台(10)固紧，第一直线位移光栅尺(6)及第二直线位移光栅尺(6A)的信号输出端与试验装置的控制器连接，第一直线位移光栅尺(6)及第二直线位移光栅尺(6A)与上述主驱动单元和副驱动单元分别组成全闭环精密伺服驱动系统。
2、 根据权利要求l所述的精密伺服线性驱动系统性能试验装置，其特征 在于上述主伺服电机(8)及副伺服电机(8A)与联轴器之间及联轴器与丝杆 之间以及丝杆与丝杆螺母之间全部经过消除间隙处理。
3、 根据权利要求l所述的精密伺服线性驱动系统性能试验装置，其特征 在于上述副工作台(10)上安装有模拟主轴(11),模拟主轴(11)上能安装 便于做位置精度测量的测量基准。
4、 根据权利要求3所述的精密伺服线性驱动系统性能试验装置，其特征 在于上述副工作台(10)能与工作台(3)固定联结，能进行联合驱动，或与 工作台(3)脱开联结，进行分别驱动控制。
5、 根据权利要求l所述的精密伺服线性驱动系统性能试验装置，其特征 在于上述第一直线位移光栅尺(6)及第二直线位移光栅尺(6A)为精密直线 位移光栅尺。
6、 根据权利要求1至5任一项所述的精密伺服线性驱动系统性能试验装 置，其特征在于上述在试验台床身(1)的一端固定用于模拟切削阻力的阻力 器(2)。
7、 根据权利要求6所述的精密伺服线性驱动系统性能试验装置，其特征 在于上述阻力器(2)为液压力装置，或是气压力装置。
8、 根据权利要求7所述的精密伺服线性驱动系统性能试验装置，其特征 在于上述阻力器(2)由缸简和活塞(17)组成，缸筒的进油口通过单向阀(14) 与油泵(16)连接，且缸简的进油口与单向阀(14)之间连接有压力调压阀(15) 及压力表(13)。
9、 根据权利要求6所述的精密伺服线性驱动系统性能试验装置的试验方 法，其特征在于能进行如下实验1) 在工作台上安放各种质量大小的载荷的结构，模拟所要驱动的工件， 然后以各种设定的速度和加速度驱动工作台，通过精确测量工作台的定 位精度和运行精度，评定伺服系统的性能，进行伺服旋转电机及其控制 单元的驱动性能试验和参数测试；2) 在各种设定条件下对系统的各组成环节进行技术评定，其具体为伺 服驱动系统中的驱动控制单元、机械传动单元、执行元件和检测反馈环 节不变的情况下，更换不同的被测伺服电机，从而评定伺服电机产品技 术指标，提供性能表达和评价方法依据。3) 当工作台(3)与副工作台(10)固定联结，可进行联合驱动试验，当工作台(3)与副工作台(IO)脱开联结，而且在各工作台上载荷不同的 情况下由主伺服驱动系统和副伺服驱动单元系统分别驱动控制，通过精 密检测，进行同步驱动性能试验。 4)在上述试验项目的基础上，通过施加阻力器进行如下试验① 工作台(3)以工作进给速度推动阻力器活塞，检测工作台的进给精度;② 工作台被伺服锁死不动，由阻力器活塞施力于工作台，检测伺服系统 刚性；③ 阻力器活塞施加能推动工作台的最大作用力，检测伺服系统的最大输 出推力。
全文摘要
本发明是一种精密伺服线性驱动系统性能试验装置及试验方法。包括有床脚及支承在床脚上的床身，其中床身上安装有主丝杆导轨副及副丝杆导轨副，主伺服电机及副伺服电机分别通过联轴器与主丝杆导轨副及副丝杆导轨副的丝杆连接，工作台及副工作台分别装设在床身的两侧，主丝杆导轨副及副丝杆导轨副中的丝杆螺母固紧在工作台和副工作台的下面，工作台上能安放各种质量大小的载荷，第一直线位移光栅尺的动子与工作台固紧，第二直线位移光栅尺的动子与副工作台固紧，第一直线位移光栅尺及第二直线位移光栅尺的信号输出端与试验装置的控制器连接，且与上述主驱动单元和副驱动单元分别组成全闭环精密伺服驱动系统。本发明能够模拟各种工作状况开展精密伺服旋转电机及其控制单元的驱动性能试验和参数测量，并且在各种设定条件下对系统的各组成环节进行技术评定。
文档编号G01M99/00GK101414185SQ20081021930
公开日2009年4月22日 申请日期2008年11月21日 优先权日2008年11月21日
发明者曾岳南, 李锻能, 云 章 申请人:广东工业大学