数控机床进给轴机电耦合性能测试台的制作方法
【专利摘要】数控机床进给轴机电耦合性能测试台，涉及数控机床伺服进给系统的性能测试领域。它包括测试台台体、控制及驱动系统、负载系统和数据采集及分析系统；测试台台体主要由高刚度灰铸铁构成，控制及驱动系统主要由数控系统、伺服驱动器、伺服电机、电源模块等组成，负载系统主要由扭矩加载器、转轴、码盘组件等组成，数据采集及分析系统主要由旋转编码器、编码器数据采集卡、扭矩传感器、伺服电机的电流、转速传感器、工控机组成。通过该测试台解决伺服系统参数优化和伺服控制系统与机械传动系统的不匹配导致的失稳问题。
【专利说明】数控机床进给轴机电耦合性能测试台
【技术领域】
[0001]本发明涉及数控机床伺服进给系统的性能测试领域，具体为一种数控机床进给轴机电耦合性能测试台。
【背景技术】
[0002]数据机床的伺服系统参数优化是一个比较困难的问题，在机床的伺服系统进行调试的过程中，系统会给定一组调试轴的默认参数，但这些参数一般是为保证系统正常运行而设置的比较保守的参数，不能满足高速、高效率的加工要求。另外，数控机床的振动也是数控机床调试中的一个难点。除了由于结构共振引起的振动，伺服控制系统和机械传动系统的不匹配导致的失稳也是一个主要因素。电机的输出力或扭矩是联系连接机械系统与NC伺服系统的唯一物理量，其时域频域特征直接影响到机械系统的加工质量。机械系统作为一个复杂的动力学系统，其机械特性的实时变化会导致固有频率的实时变化，这就要求力矩的频率成分做出相应的变化避免系统的失稳。然而，直接测量扭矩在工业生产中不易实现，如果研究得到伺服电流与电机输出扭矩之间的关系，就可以通过间接测量电流来得到扭矩，通过调整电流的频率分布，使电机输出扭矩与机械系统相匹配就能实现高的加工质量；由此需要一个专用的数控机床进给轴机电耦合性能测试台，用于完成各参数测量。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种数控机床进给轴机电耦合性能测试台，用于完成参数测量，针对测量数据进行分析，得到伺服电流与电机输出扭矩之间的关系，进而解决伺服系统参数优化和伺服控制系统与机械传动系统的不匹配导致的失稳问题。
[0004]本发明的目的是通过下述技术方案实现的:数控机床进给轴机电耦合性能测试台，包括测试台台体、控制及驱动系统、负载系统和数据采集及分析系统；其特征在于:所述的控制及驱动系统包括数控系统、伺服驱动器及伺服电机；负载系统包括扭矩加载器、转轴及码盘组件；数据采集及分析系统包括旋转编码器、编码器内置的数据采集卡、扭矩传感器、伺服电机内置的电流、转速传感器及工控机；伺服电机、扭矩加载器、转轴、码盘组件、旋转编码器、扭矩传感器安装在测试台台体上；伺服电机通过中心转轴依次与扭矩传感器、第一编码器、码盘组件、第二编码器、扭矩加载器联接，伺服驱动器由数控系统控制，驱动伺服电机带动测试台台体的转轴转动。
[0005]所述的码盘组件包括3个不同质量的码盘。每个码盘由两个半圆盘组成，通过螺栓联接紧固在转轴上，码盘两边设有码盘支架。
[0006]所述的码盘及码盘支架通过测试台底座上的T型槽实现轴向位置的改变；码盘支架通过调整垫与测试台底座联接，实现各码盘高度的调节。
[0007]所述的转轴末端通过联轴器与扭矩加载器联接，在扭矩加载器的底座下面有调整垫。
[0008]所述的工控机通过高速计数卡采集旋转编码器的数据，通过专用扭矩传感器信号采集软件采集扭矩传感器的数据，将采集到的伺服电机的转速、输出扭矩、电流及码盘组件的转速、角度误差数据通过内置分析软件实现数据分析。
[0009]所述的数据采集及分析系统，对伺服电机的转速、输出扭矩、电流及码盘组件的转速、角度误差数据进行时域和频域分析，根据制定的伺服参数优化指标，进行进给轴伺服系统的参数优化。通过对控制信号和机械系统的固有频率分析，判断伺服控制系统与机械传动系统的不匹配导致的失稳原因。
[0010]本发明的有益效果:
1、通过数控机床进给轴机电耦合性能测试台的数据测试及分析，可以进行为数据机床的伺服系统参数优化提供参考依据。开发出合理的伺服参数优化流程及评价方法，设置合适的伺服参数，使机床在现有机械结构基础上，尽可能提高其动态性能；
2、通过数控机床进给轴机电耦合性能测试台的数据测试及分析，可以掌握伺服电流与电机输出扭矩之间时域频域关系，数控系统参考指令与输入指令之间时域频域关系，伺服系统输入参考指令与伺服输出电流之间的时域频域关系，数控指令和伺服参数对伺服电流主要频率成分的控制作用，机械特性实时变化情况下的控制策略等，消除或减少机床机电系统互相作用导致的共振问题；
3、通过数控机床进给轴机电耦合性能测试台的数据测试及分析，可以揭示复杂机电系统的耦合本质和规律，建立集成设计理论与方法，为数控机床及其它机电系统的优化设计提供依据。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明的总体结构示意图。
[0012]图2是本发明的测试台主体结构主视图。
[0013]图3是本发明的测试台主体结构俯视图。
[0014]图中，I减振垫铁；2测试台台体；3电机支架；4伺服电机；5第一联轴器；6扭矩传感器；7第二联轴器；8第一编码器；9转轴前支架；10码盘；11码盘支架；12转轴；13转轴后支架；14第二编码器；15第三联轴器；16扭矩加载器；17工控机；18数控系统；19伺服驱动器。
【具体实施方式】
[0015]一种数控机床进给轴机电耦合性能测试台，包括测试台台体2、控制及驱动系统、负载系统和数据采集及分析系统；控制及驱动系统包括数控系统18、伺服驱动器19、伺服电机4及电源模块；负载系统包括扭矩加载器16、转轴12及码盘组件；数据采集及分析系统包括旋转编码器、编码器内置的数据采集卡、扭矩传感器6、伺服电机4内置的电流、转速传感器及工控机17。
[0016]其具体装配关系如图1至图3所示，测试台台体2由高刚度灰铸铁构成，测试台台体2通过12个减振垫铁I安装于地面，测试台台体2上端面设有T型槽结构，电机支架3、扭矩传感器6、转轴前支架9、码盘支架11、转轴后支架13、扭矩加载器16分别通过螺栓固定在测试台台体2上，转轴12放置在转轴前支架9、转轴后支架13上，通过轴承支撑，伺服电机4放置在电机支架3上，位于转轴12的一端，伺服电机4通过第一联轴器5与扭矩传感器6相连，扭矩传感器6通过第二联轴器7与第一编码器8相连。码盘组件包括3个不同质量的码盘10。每个码盘10由两个半圆盘组成，通过螺栓联接紧固在转轴12上，码盘10两边设有码盘支架11，码盘支架13通过调整垫与测试台的底座联接，实现各码盘高度的调节。在转轴后支架13后部安装第二编码器14，第二编码器14通过第三联轴器15与扭矩加载器16相连，在扭矩加载器16的底座下面有调整垫，实现扭矩加载器输出轴与转轴的对中。
[0017]当操作数控系统18时，指令通过伺服驱动器19控制伺服电机4转动，伺服电机4带动测试台台体的转轴12转动，同时控制扭矩加载器16可以实现负载的变化。三个码盘10的位置可以沿轴向变化，实现负载的调节。
[0018]工控机17通过高速计数卡采集第一编码器8、第二编码器14的数据，通过专用扭矩传感器信号采集软件采集扭矩传感器6的数据，采集到的伺服电机的转速、输出扭矩、电流及码盘的转速、角度误差数据等数据通过工控机17内置分析软件实现伺服参数最优化配置，通过测试负载惯量比对电机运行性能(主要是转速和转矩)的影响关系，改变转子系统的传动刚度、质量分布和阶数，调节伺服参数，测试不同位置编码器的响应信号，研究机械系统与伺服系统的匹配性，伺服优化评价指标的建立，伺服优化流程的优化。还可以实现数控系统、伺服系统和机械系统之间的多层次耦合关系，包括伺服电流与电机输出扭矩之间时域频域关系，数控系统参考指令与输入指令之间时域频域关系，伺服系统输入参考指令与伺服输出电流之间的时域频域关系，数控指令和伺服参数对伺服电流主要频率成分的控制作用，机械特性实时变化情况下的控制策略。
【权利要求】
1.数控机床进给轴机电耦合性能测试台，包括测试台台体、控制及驱动系统、负载系统和数据采集及分析系统；其特征在于:所述的控制及驱动系统包括数控系统、伺服驱动器及伺服电机；负载系统包括扭矩加载器、转轴及码盘组件；数据采集及分析系统包括旋转编码器、编码器内置的数据采集卡、扭矩传感器、伺服电机内置的电流、转速传感器及工控机；伺服电机、扭矩加载器、转轴、码盘组件、旋转编码器、扭矩传感器安装在测试台台体上；伺服电机通过中心转轴依次与扭矩传感器、第一编码器、码盘组件、第二编码器、扭矩加载器联接，伺服驱动器由数控系统控制，驱动伺服电机带动测试台台体的转轴转动。
2.按照权利要求1所述的数控机床进给轴机电耦合性能测试台，其特征在于:所述的码盘组件包括3个不同质量的码盘；每个码盘由两个半圆盘组成，通过螺栓联接紧固在转轴上，码盘两边设有码盘支架。
3.按照权利要求2所述的数控机床进给轴机电耦合性能测试台，其特征在于:所述的码盘及码盘支架通过测试台底座上的T型槽实现轴向位置的改变；码盘支架通过调整垫与测试台底座联接，实现各码盘高度的调节。
4.按照权利要求1所述的数控机床进给轴机电耦合性能测试台，其特征在于:所述的转轴末端通过联轴器与扭矩加载器联接，在扭矩加载器的底座下面有调整垫。
5.按照权利要求1所述的数控机床进给轴机电耦合性能测试台，其特征在于:所述的工控机通过高速计数卡采集旋转编码器的数据，通过专用扭矩传感器信号采集软件采集扭矩传感器的数据，将采集到的伺服电机的转速、输出扭矩、电流及码盘组件的转速、角度误差数据通过内置分析软件实现数据分析。
6.按照权利要求1所述的数控机床进给轴机电耦合性能测试台，其特征在于:所述的数据采集及分析系统，对伺服电机的转速、输出扭矩、电流及码盘组件的转速、角度误差数据进行时域和频域分析，根据制定的伺服参数优化指标，进行进给轴伺服系统的参数优化；通过对控制信号和机械系统的固有频率分析，判断伺服控制系统与机械传动系统的不匹配导致的失稳原因。
【文档编号】G01M99/00GK103645064SQ201310724883
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月25日 优先权日:2013年12月25日
【发明者】刘阔, 李焱, 于文东 申请人:沈阳机床(集团)有限责任公司