一种数控机床伺服系统可靠性试验装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种数控机床伺服系统的可靠性试验装置，该试验装置包括机械结构系统和电气控制系统；该试验装置的实施方法包括对伺服电机驱动滑块运行的速度、加速度、位移及伺服电机承受的反向力矩控制方法；该装置可以模拟数控机床的各种不同的工况，伺服系统驱动滑块以不同的速度、加速度在不同的反向力矩下运行不同的位移，记录运行过程中的故障数据，通过这些数据来计算、评价数控机床伺服系统的可靠性水平；本发明适用于数控机床的伺服系统的可靠性试验，在数控机床的可靠性设计时，可以用来评价伺服系统的可靠性水平，具有较好的应用前景。
【专利说明】一种数控机床伺服系统可靠性试验装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用来评价数控机床伺服系统可靠性的试验装置，属于精密加工技术和工业自动化控制领域。
【背景技术】
[0002]数控机床广泛应用在机械加工制造业中，利用数控程序控制伺服电机驱动刀架来加工各种形状的零件。数控机床的可靠性对所加工零件精度和效率有着重要影响，而伺服系统是数控机床的重要组成部分，因此保证伺服系统的可靠性非常关键。
[0003]在对数控机床可靠性研究过程中，通常需要采集数控机床的故障数据，然后计算数控机床的平均无故障时间，作为数控机床的可靠性指标。在设计数控机床时，为了提高数控机床整机的可靠性，需要选择可靠性高的零部件，而要想了解零部件的可靠性水平，需进行可靠性试验。
[0004]数控机床零部件的可靠性与其工作环境和工作条件密切相关，可靠性试验必须能够模拟数控机床的真实的工作环境，否则试验结果与其实际可靠性水平有较大差别。
[0005]目前在数控机床设计过程中，数控机床生产厂家通常不对零部件进行可靠性试验，而是直接从这些零部件的生产厂家直接获取可靠性数据。由于零部件生产厂家并不能完全确定数控机床的使用环境和条件，所以这种方法并不准确。也有一些数控机床生产厂家对零部件进行加速寿命测试，即增加零部件的负荷和工作应力，来获取零部件的故障数据，然后再乘以加速寿命系数来确定零部件的可靠性水平。这种方法的缺点是加速寿命系数很难确定，如果选取不当，可靠性水平与真实值相差很远。
[0006]根据数控机床加工零件的特点，数控机床的伺服系统驱动刀架在低速、中速或高速下运行，且每次加减速度也不尽相同。刀架可能朝一个方向运行较长的距离，也可能运行一小段距离后马上反向运行。同时根据进给量的不同，伺服电机受到的反向力矩也不相同。可见，数控机床的伺服系统的速度、加速度、位移、力矩在不同的时间是不相同的，均是随机值。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种数控机床伺服系统的可靠性试验装置，该装置可以模拟数控机床的各种不同的工况，伺服系统驱动滑块以不同的速度、加速度在不同的反向力矩下运行不同的位移，记录运行过程中的故障数据，通过这些数据来计算、评价数控机床伺服系统的可靠性水平。伺服系统主要由伺服驱动器、伺服电机和一些电气控制元件(如控制伺服电机通断电的交流接触器)组成，对伺服系统进行可靠性试验其实主要是针对伺服驱动器和伺服电机进行可靠性试验，由于伺服系统在实际工作中的工作条件是未知的、随机的，为了模拟这种随机的工况，所设计的试验装置能够模拟这种随机的工作条件。
[0008]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种数控机床伺服系统可靠性试验装置，该试验装置包括机械结构系统和电气控制系统；该试验装置的实施方法包括对伺服电机驱动滑块运行的速度、加速度、位移及伺服电机承受的反向力矩控制方法。
[0009]该试验装置的机械结构系统包括底座、伺服电机、支撑板a、联轴器a、支撑板b、限位行程开关a、参考点行程开关、丝杠、滑块、导杆、限位行程开关b、支撑板C、联轴器b、液力变矩器、联轴器C、异步电动机；伺服电机通过支撑板a安装固定在底座上；滑块顶部开有螺纹孔，丝杠通过螺纹配合穿过该螺纹孔，丝杠的两端分别穿过支撑板b和支撑板c并与联轴器a、联轴器b连接；滑块的底部开有通孔，导杆穿过该通孔且其两端分别固定在支撑板b与支撑板c上；伺服电机的输出轴通过联轴器a带动丝杠转动，丝杠的一端通过螺纹配合带动滑块沿导杆滑动；丝杠的另一端通过联轴器b与液力变矩器的输出轴相连，液力变矩器的输入轴与异步电动机通过联轴器c相连；液力变矩器和异步电动机均安装在底座上；在丝杠靠近伺服电机的一端安装有限位行程开关a和参考点行程开关，在丝杠的另一端安装有限位行程开关b，限位行程开关a和限位行程开关b的作用是防止滑块碰到支撑板a和支撑板b，参考点行程开关的作用是保证伺服电机驱动丝杠时，丝杠从参考点出发以保证试验效果。
[0010]该试验装置的电气控制系统包括伺服驱动器、可编程控制器、交流接触器a、交流接触器b、绿色指示灯、红色指示灯、触摸屏、变频器、交流接触器触点a、交流接触器触点b、启动按钮、停止按钮、复位按钮、紧急停止按钮、正向点动按钮、反向点动按钮。
[0011]试验装置由可编程控制器控制，系统通入电后，绿色指示灯亮；如果滑块不在参考点位置，按下复位按钮，可编程控制器控制交流接触器a通电，交流接触器a的交流接触器触点a闭合，伺服驱动器通电，同时可编程控制器对伺服驱动器发送反向脉冲信号，伺服驱动器驱动伺服电机反转，丝杠随伺服电机一起反转，丝杠驱动滑块向左移动，碰到参考点行程开关后，可编程控制器的反向脉冲信号停止，伺服电机停止运转，滑块停止运动，准备过程结束。
[0012]为了模拟伺服系统在运行中不同的工作条件，在可编程控制器内部存储了多种不同的滑块速度、滑块位移和变频器模拟量信号，在按下启动按钮后，可编程控制器控制滑块以依次不同的速度、运行不同的位移，同时变频器依次输出不同的模拟量信控制液力变矩器输出不同的力矩，从而实现该试验装置的试验目的。
[0013]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
[0014]1、本发明所述的试验装置可以模拟数控机床的伺服系统的工作条件，记录数控机床伺服系统的故障数据，从而计算和评价数控机床伺服系统的可靠性水平。
[0015]2、本发明所述的试验装置可以根据不同数控机床的伺服系统进行试验，只需要简单地更换伺服驱动器和伺服电机即可，而且在按下启动按钮后，系统自动按照预定的速度、加速度和位移进行运行，中间无需人为操作，在出现故障时自动记录故障数据。
[0016]本发明适用于数控机床的伺服系统的可靠性试验，在数控机床的可靠性设计时，可以用来评价伺服系统的可靠性水平，具有较好的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是数控机床伺服系统可靠性试验装置的机械结构原理图。
[0018]图2是数控机床伺服系统可靠性试验装置的电气控制原理图。
[0019]图3是数控机床伺服系统可靠性试验装置的工作流程图。[0020]图4是数控机床伺服系统可靠性试验装置的滑块位移曲线图。
[0021]图5是数控机床伺服系统可靠性试验装置的滑块速度曲线图。
[0022]图6是数控机床伺服系统可靠性试验装置的异步电动机的转速曲线图。
[0023]图中:1、底座，2、伺服电机，3、支撑板a，4、联轴器a，5、支撑板b，6、限位行程开关，
7、参考点行程开关，8、丝杠，9、滑块，10、导杆，11、限位行程开关，12、支撑板C，13、联轴器b, 14、液力变矩器,15、联轴器c, 16、异步电动机,17、伺服驱动器,18、可编程控制器,19、交流接触器a，20、交流接触器b，21、绿色指示灯，22、红色指示灯，23、触摸屏，24、变频器，25、交流接触器触点a，26、交流接触器触点b，27、启动按钮，28、停止按钮，29、复位按钮，30、紧急停止按钮，31、正向点动按钮，32、反向点动按钮。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0025]图1是数控机床伺服系统可靠性试验装置的结构原理图，图2是试验装置的电气控制原理图，一种数控机床伺服系统可靠性试验装置，该试验装置包括机械结构系统和电气控制系统；该试验的实施方法包括对伺服电机驱动滑块运行的速度、加速度、位移及伺服电机承受的反向力矩控制方法。
[0026]该试验装置的机械结构系统包括底座1、伺服电机2、支撑板a3、联轴器a4、支撑板b5、限位行程开关a6、参考点行程开关7、丝杠8、滑块9、导杆10、限位行程开关bll、支撑板cl2、联轴器bl3、液力变矩器14、联轴器cl5、异步电动机16 ;伺服电机2通过支撑板a3安装固定在底座I上；滑块9顶部开有螺纹孔，丝杠8通过螺纹配合穿过该螺纹孔，丝杠8的两端分别穿过支撑板b5和支撑板cl2并与联轴器a4、联轴器bl3连接；滑块9的底部开有通孔，导杆10穿过该通孔且其两端分别固定在支撑板b5与支撑板cl2上；伺服电机2的输出轴通过联轴器a4带动丝杠8转动，丝杠8的一端通过螺纹配合带动滑块9沿导杆10滑动；丝杠8的另一端通过联轴器b5与液力变矩器14的输出轴相连，液力变矩器14的输入轴与异步电动机16通过联轴器cl5相连；液力变矩器14和异步电动机16均安装在底座I上；在丝杠8靠近伺服电机2的一端安装有限位行程开关a6和参考点行程开关7，在丝杠8的另一端安装有限位行程开关bll，限位行程开关a6和限位行程开关bll的作用是防止滑块9碰到支撑板a3和支撑板b5，参考点行程开关7的作用是保证伺服电机2驱动丝杠8时，丝杠8从参考点出发以保证试验效果。
[0027]该试验装置的电气控制系统包括伺服驱动器17、可编程控制器18、交流接触器al9、交流接触器b20、绿色指示灯21、红色指示灯22、触摸屏23、变频器24、交流接触器触点a25、交流接触器触点b26、启动按钮27、停止按钮28、复位按钮29、紧急停止按钮30、正向点动按钮31、反向点动按钮32。
[0028]试验装置由可编程控制器18控制，系统通入电后，绿色指示灯21亮；如果滑块9不在参考点位置，按下复位按钮29，可编程控制器18控制交流接触器al9通电，交流接触器al9的交流接触器触点a25闭合，伺服驱动器17通电，同时可编程控制器18对伺服驱动器17发送反向脉冲信号，伺服驱动器17驱动伺服电机2反转，丝杠8随伺服电机2 —起反转，丝杠8驱动滑块9向一端移动，碰到参考点行程开关7后，可编程控制器18的反向脉冲信号停止，伺服电机2停止运转，滑块9停止运动，准备过程结束。[0029]按下启动按钮27后，可编程控制器18向伺服驱动器17发正向脉冲信号，伺服驱动器17驱动伺服电机2正向转动，丝杠8随伺服电机2 —起转动，丝杠8驱动滑块9向另一端移动，到达预定的位置后返回，回到参考点后并继续运行；按下启动按钮27的同时，可编程控制器18控制交流接触器b20通电，其交流接触器触点b26闭合，变频器24通电，可编程控制器18向变频器24发送模拟量信号，变频器24根据模拟量信号的大小来控制异步电动机16的转速，由于液力变矩器14的输出扭矩与异步电动机16的转速成反比，所以控制异步电动机16的转速即可控制液力变矩器14的力矩，即模拟伺服电机2在加工零件时受到的不同力矩，从而实现该试验装置的试验目的；在按下启动按钮27的同时，可编程控制器18控制绿色指示灯21闪烁。
[0030]若在运行过程中实现该试验装置停止工作，可以按下停止按钮28，此时可编程控制器18向伺服驱动器17发送反向脉冲信号，滑块9向另一端运动，运行到参考点后停止；同时，可编程控制器18向变频器24发送停止信号，异步电动机16停止运转。
[0031]运行过程中有紧急情况出现时，按下紧急停止按钮30，可编程控制器18向伺服驱动器17和变频器24发送停止信号，伺服电机2和异步电动机16均立即停止运转。
[0032]运行的过程中出现故障时，可编程控制器18立即向伺服驱动器17和变频器24发送停止信号，伺服电机2和异步电动机16均立即停止运转，同时可编程控制器18控制红色指示灯22闪烁，触摸屏23记录故障时间并保存。
[0033]可以按正向点动按钮31或反向点动按钮32来测试伺服电动机2的接线和伺服驱动器17参数设置是否正确；按下反向点动按钮32，可编程控制器18向伺服驱动器17发送反向脉冲信号，驱动伺服电机2反向转动，带动滑块9向一端移动；按下正向点动按钮31，可编程控制器18向伺服驱动器17发送正向脉冲信号，驱动伺服电机2正向转动，带动滑块9向另一端移动。
[0034]触摸屏23可以控制系统的运行和显示系统的状态，在触摸屏23上设计有启动按钮27、停止按钮28、复位按钮29、紧急停止按钮30、正向点动按钮31、反向点动按钮32，这些按钮的作用与数控机床伺服控制系统的按钮是相同的；在触摸屏23上设计有绿色指示灯21和红色指示灯22，其状态显示与数控伺服控制系统的指示灯是相同的；当试验装置出现故障时，触摸屏23可以显示故障类型、故障时间并保存；试验结束后，触摸屏23可以统计故障数据，作为计算、评价数控机床伺服系统可靠性的依据。
[0035]图3是数控机床伺服系统可靠性试验装置的工作流程图，如果滑块的初始位置不在参考点，此时要先按复位按钮29，可编程控制器18向伺服驱动器17发送反向脉冲信号，驱动伺服电机2反转，带动滑块向参考点移动，到达参考点后，可编程控制器18想伺服驱动器17发送停止信号，伺服电机2停止转动；在按下复位按钮29的同时，可编程控制器18向变频器24发送停止信号，控制异步电动机16停止转动。
[0036]当滑块9到达参考点后，按下启动按钮27，可编程控制器18向伺服驱动器17发送正向脉冲信号，驱动伺服电机2正转，带动滑块9以图4中曲线h的速度向右运行，运行位移为图3中的曲线A，延时一段时间后返回至参考点，接着可编程控制器18向伺服驱动器17发送正向脉冲信号，驱动伺服电机2正转，带动滑块9以图4中曲线I的速度向右运行，运行位移为图3中的曲线B，延时一段时间后返回至参考点；同理，滑块之后分别以图4中的曲线J、K、L的速度运行，运行位移分别为C、D、E ;当5段位移全部走完之后，再重新开始，并一直循环。
[0037]图4是数控机床伺服系统可靠性试验装置的滑块位移曲线图，图5是数控机床伺服系统可靠性试验装置的滑块速度曲线图，滑块9首先从曲线a的起点(参考点)从零开始加速，加速到曲线h的水平段时以恒定速度运行，运行快到图4的曲线A的末端时减速，到曲线A的末端后停止，延时一段时间后，沿曲线H以相同的加速度反向加速，然后匀速反向运行，滑块9快到曲线A的起点后减速，到达曲线A的起点(参考点)后停止。以此类推，滑块依次以曲线H—I — J — K — L的速度行走A — B — C — D — E位移，以模拟数控机床在加工时的不同速度、加速度和位移。
[0038]图6是数控机床伺服系统可靠性试验装置的异步电动机的转速曲线图，异步电动机16的转速首先沿曲线M从零开始速度逐渐提高，到达最大值后再减速到零，然后转速沿曲线N从零开始速度逐渐提高，到达最大值后再减速到零，之后转速沿曲线O从零开始速度逐渐提高，到达最大值后再减速到零，之后转速沿曲线P从零开始速度逐渐提高，到达最大值后再减速到零，之后转速沿曲线Q从零开始速度逐渐提高，到达最大值后再减速到零。一个循环之后，再沿M — N—O — P — Q曲线循环运行。
[0039]以上所述【具体实施方式】用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的设计思想和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何修改或改变，均应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种数控机床伺服系统可靠性试验装置，其特征在于:该试验装置包括机械结构系统和电气控制系统； 该试验装置的机械结构系统包括底座(1)、伺服电机(2)、支撑板a (3)、联轴器a (4)、支撑板b (5)、限位行程开关a (6)、参考点行程开关(7)、丝杠(8)、滑块(9)、导杆(10)、限位行程开关b (11)、支撑板c (12)、联轴器b (13)、液力变矩器(14)、联轴器c (15)、异步电动机(16);伺服电机(2)通过支撑板a (3)安装固定在底座(1)上；滑块(9)顶部开有螺纹孔，丝杠(8)通过螺纹配合穿过该螺纹孔，丝杠(8)的两端分别穿过支撑板b (5)和支撑板c (12)并与联轴器a (4)、联轴器b (13)连接；滑块(9)的底部开有通孔，导杆(10)穿过该通孔且其两端分别固定在支撑板b (5)与支撑板c (12)上；伺服电机(2)的输出轴通过联轴器a (4)带动丝杠(8)转动，丝杠(8)的一端通过螺纹配合带动滑块沿导杆(10)滑动；丝杠(8)的另一端通过联轴器b (5)与液力变矩器(14)的输出轴相连，液力变矩器(14)的输入轴与异步电动机(16)通过联轴器c (15)相连；液力变矩器(14)和异步电动机(16)均安装在底座I上；在丝杠(8)靠近伺服电机(2)的一端安装有限位行程开关a (6)和参考点行程开关(7)，在丝杠(8)的另一端安装有限位行程开关b (11)，限位行程开关a (6)和限位行程开关b (11)的作用是防止滑块(9)碰到支撑板a (3)和支撑板b (5)，参考点行程开关(7)的作用是保证伺服电机(2)驱动丝杠(8)时，丝杠(8)从参考点出发； 该试验装置的电气控制系统包括伺服驱动器(17)、可编程控制器(18)、交流接触器a(19)、交流接触器b (20)、绿色指示灯(21)、红色指示灯(22)、触摸屏(23)、变频器(24)、交流接触器触点a (25)、交流接触器触点b (26)、启动按钮(27)、停止按钮(28)、复位按钮(29),紧急停止按钮(30)、正向点动按钮(31)、反向点动按钮(32); 试验装置由可编程控制器(18 )控制，系统通入电后，绿色指示灯(21)亮；如果滑块(9 )不在参考点位置，按下复位按钮(29)，可编程控制器(18)控制交流接触器a (19)通电，交流接触器a (19)的交流接触器触点a (25)闭合，伺服驱动器(17)通电，同时可编程控制器(18)对伺服驱动器(17)发送反向脉冲信号，伺服驱动器(17)驱动伺服电机(2)反转，丝杠(8)随伺服电机(2) —起反转，丝杠(8)驱动滑块(9)向一端移动，碰到参考点行程开关(7)后，可编程控制器(18)的反向脉冲信号停止，伺服电机(2)停止运转，滑块(9)停止运动，准备过程结束。
2.根据权利要求1所述的一种数控机床伺服系统可靠性试验装置，其特征在于:按下启动按钮(27)后，可编程控制器(18)向伺服驱动器(17)发正向脉冲信号，伺服驱动器(17)驱动伺服电机(2)正向转动，丝杠(8)随伺服电机(2) —起转动，丝杠(8)驱动滑块(9)向另一端移动，到达预定的位置后返回，回到参考点后并继续运行；按下启动按钮(27)的同时，可编程控制器(18)控制交流接触器b (20)通电，其交流接触器触点b (26)闭合，变频器(24)通电，可编程控制器(18)向变频器(24)发送模拟量信号，变频器(24)根据模拟量信号的大小来控制异步电动机(16)的转速，由于液力变矩器(14)的输出扭矩与异步电动机(16)的转速成反比，所以控制异步电动机(16)的转速即可控制液力变矩器(14)的力矩，SP模拟伺服电机(2)在加工零件时受到的不同力矩，从而实现该试验装置的试验目的；在按下启动按钮(27)的同时，可编程控制器(18)控制绿色指示灯(21)闪烁。
3.根据权利要求1或2所述的一种数控机床伺服系统可靠性试验装置，其特征在于:若在运行过程中实现该试验装置停止工作，可以按下停止按钮(28)，此时可编程控制器(18)向伺服驱动器(17)发送反向脉冲信号，滑块(9)向一端运动，运行到参考点后停止；同时，可编程控制器(18)向变频器(24)发送停止信号，异步电动机(16)停止运转；运行过程中有紧急情况出现时，按下紧急停止按钮(30)，可编程控制器(18)向伺服驱动器(17)和变频器(24)发送停止信号，伺服电机(2)和异步电动机(16)均立即停止运转；运行的过程中出现故障时，可编程控制器(18)立即向伺服驱动器(17)和变频器(24)发送停止信号，伺服电机(2)和异步电动机(16)均立即停止运转，同时可编程控制器(18)控制红色指示灯(22)闪烁，触摸屏(23)记录故障时间并保存； 可以按正向点动按钮(31)或反向点动按钮(32)来测试伺服电动机(2)的接线和伺服驱动器(17)参数设置是否正确；按下反向点动按钮(32)，可编程控制器(18)向伺服驱动器(17)发送反向脉冲信号，驱动伺服电机(2)反向转动，带动滑块(9)向一端移动；按下正向点动按钮(31)，可编程控制器(18)向伺服驱动器(17)发送正向脉冲信号，驱动伺服电机(2)正向转动，带动滑块(9)向另一端移动。
4.根据权利要求1所述的一种数控机床伺服系统可靠性试验装置，其特征在于:触摸屏(23)可以控制系统的运行和显示系统的状态，在触摸屏(23)上设计有启动按钮(27)、停止按钮(28 )、复位按钮(29 )、紧急停止按钮(30 )、正向点动按钮(31)、反向点动按钮(32 )，这些按钮的作用与数控机床伺服控制系统的按钮是相同的；在触摸屏(23)上设计有绿色指示灯(21)和红色指示灯(22)，其状态显示与数控伺服控制系统的指示灯是相同的；当试验装置出现故障时，触摸屏(23)可以显示故障类型、故障时间并保存；试验结束后，触摸屏(23)可以统计故障数据 ，作为计算、评价数控机床伺服系统可靠性的依据。
【文档编号】G05B19/406GK103728920SQ201410020630
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月16日 优先权日:2014年1月16日
【发明者】范晋伟, 刘勇军, 王波, 陈东菊, 穆东辉, 唐宇航, 宋毅 申请人:北京工业大学