CN102636366A - 一种基于电机转矩信号的机床进给***运行性能评估方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电机转矩信号的机床进给***运行性能评估方法，利用开放式数控***的通讯接口，获取空载恒速全进给行程中的伺服电机输出转矩信号和位置信号，根据进给位置对转矩信号分段，以进给往返换向时的瞬时冲击成分峰峰值作为暂态稳定性特征；使用最小二乘法拟合平稳进给区内转矩信号相对于进给位置的趋势函数，作为进给***的结构性能特征；以剩余短期波动信号的峰峰值、频谱峰值和频谱峰值对应频率值作为运行性能特征；对比三类特征，评估不同数控机床进给***的运行性能。本发明实现了进给***运行性能的量化检测与对比评价，对保障数控机床加工效率和进给精度具有重要意义。

Description

一种基于电机转矩信号的机床进给***运行性能评估方法

技术领域

本发明属于数控机床动态性能检测技术，具体涉及一种基于电机转矩信号的机床进给***运行性能评估方法。

背景技术

数控机床是加工制造领域中的基础生产设备，具有高度自动化和机电液一体的特点。目前数控机床的性能检验主要包括几何精度测量和运行性能检测两个方面，几何精度测量又称为静态精度检验，用于检测零部件组装后的线面形状误差与位置位移误差，运行性能检测则用来评估机床运转时的进给、主轴等关键机构的运动状况。运行性能的检测与评估不但反映机床各个部件运动的协调与配合情况，也体现出机械结构和控制***的优化匹配程度，对保证数控机床的加工效率和精度具有重要意义。

进给***是维持机床切削运动持续进行的综合***，由于其空间结构紧凑封闭，处于连续运动中，且工作环境恶劣，振动、温度、位移等外置式传感器的安装和使用受到极大的限制。因此，利用开放式数控***，采集和处理内置式传感器(光栅尺、编码器、电机电流传感器等)提供的位移、速度和伺服电机转矩数据，逐渐成为进给***运行性能检测的新技术手段。然而在进给过程中，机械部件的运动受到位置和速度的伺服控制，使运行检测处于复杂多变的工作条件下，运行性能信息与控制环的实时调整信息混叠在检测信号中，在不进行有效分离的情况下，很难建立可靠的运行性能评估指标。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于电机转矩信号的机床进给***运行性能评估方法，以数控***内置式传感器提供的驱动电机转矩信号为分析对象，通过信号分解和特征指标提取，在空载恒速全进给行程范围内实现运行性能的量化评估。

为了实现上述目的，本发明采取的技术解决方案是：

一种基于电机转矩信号的机床进给***运行性能评估方法，将空载恒速全进给行程的伺服电机输出转矩，分解为瞬时冲击、趋势函数和短周期波动，分别提取反映进给***暂态稳定性、结构性能与运动性能的特征指标，实现进给***的运行性能评估，包括以下步骤：

1)通过开放式数控***的通讯接口，采集进给轴空载恒速全行程往返过程中的进给位置信号P(t_i)和驱动电机转矩信号T(t_i)，其中t_i为采样时刻；

2)根据进给位置信号P(t_i)，找出非稳定进给阶段的起始时刻与结束时刻t_B和t_E，非稳定进给阶段包括启动、换向或变级阶段，以t_B≤t_i≤t_E时间段内的驱动电机转矩信号为瞬时冲击成分T_I，即T_I＝T(t_i)，t_B≤t_i≤t，计算进给往返换向时的瞬时冲击成分峰峰值max(T_I)-min(T_I)，将其作为进给***暂态稳定性特征；

3)使用最小二乘法拟合稳定进给区内驱动电机转矩信号与进给位置的趋势函数，该趋势函数通常选择直线方程T′(t)＝a+bP(t)，其中 $b=\frac{n\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left(t_i\right)T\left(t_i\right)\right]-\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left(t_i\right)\right]\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}T\left(t_i\right)\right]}{n\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P{\left(t_i\right)}^2\right]-{\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left(t_i\right)\right]}^{\text{2}}},$ $a=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}T\left(t_i\right)-b\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left(t_i\right),$ t₁为平稳区起始时刻，t_n为平稳区终止时刻，n为平稳进给区采样点数，以直线方程斜率b的绝对值作为进给***的结构性能特征；

4)从驱动电机转矩信号中减去瞬时冲击成分和趋势函数，得到短周期波动信号T_F，计算短期波动信号的峰峰值max(T_F)-min(T_F)，并通过傅立叶变换获得短期波动信号的频谱图，以峰峰值、频谱峰值、频谱峰值对应频率值作为运动性能特征；

5)对比不同数控机床进给***的运行性能特征值，往返换向时瞬时冲击成分峰峰值越小表明进给***暂态稳定性越好，趋势函数斜率值越小表明进给***结构性能越好，短周期波动峰峰值越小表明进给***总体摩擦转矩越小，运动性能越好，短周期波动频谱峰值指示出主要摩擦做功部件的消耗能量及运动频率。

本发明提供的运行性能评估方法，不但避免了安装外置式传感器，而且有效解决了伺服控制的干扰问题，为数控机床进给***运行性能的检测与评定提供了新的思路，具有以下特点：

1.控制进给***在空载恒速条件下运行，消除了切削力矩和电机转速变化的影响，使驱动电机输出转矩等于机械部件引起的摩擦转矩，保证了分析对象的合理性。

2.利用开放式数控***的加工监控和数据通讯功能，获取进给全行程往返过程中的进给位置信号和驱动电机转矩信号，方法简单，数据可靠。

3.从驱动电机转矩信号中提取暂态稳定性、结构性能与运动性能的特征指标，实现运行性能的综合量化评估。

4.不同数控机床的进给***能够进行运行性能横向对比，为提高进给***的精度和可靠性提供依据。

附图说明

图1是本发明进给***运行性能评估方法的信号分析流程图。

图2是本发明实施例信号采集的硬件组成图。

图3是本发明实施例的数控铣镗床进给***示意图。

图4是铣镗床1的X向进给***空载全行程进给位置信号和驱动电机转矩信号图。

图5是铣镗床1的X向进给***空载进给全行程驱动电机转矩信号分解图。

图6是铣镗床2的X向进给***空载全行程进给位置信号和驱动电机转矩信号图。

图7是铣镗床2的X向进给***空载进给全行程驱动电机转矩信号分解图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例作对本发明进一步的详细说明。

参照图1所示，一种基于电机转矩信号的机床进给***运行性能评估方法，包括以下步骤：

1)通过开放式数控***的通讯接口，采集进给轴空载恒速全行程往返过程中的进给位置信号P(t_i)和驱动电机转矩信号T(t_i)，其中t_i为采样时刻；

2)根据进给位置信号P(t_i)，找出非稳定进给阶段的起始时刻与结束时刻t_B和t_E，非稳定进给阶段包括启动、换向或变级阶段，以t_B≤t_i≤t_E时间段内的驱动电机转矩信号为瞬时冲击成分T_I，即T_I＝T(t_i)，t_B≤t_i≤t，计算进给往返换向时的瞬时冲击成分峰峰值max(T_I)-min(T_I)，将其作为进给***暂态稳定性特征；

3)使用最小二乘法拟合稳定进给区内驱动电机转矩信号与进给位置的趋势函数，该趋势函数通常选择直线方程T′(t)＝a+bP(t)，其中 $b=\frac{n\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left(t_i\right)T\left(t_i\right)\right]-\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left(t_i\right)\right]\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}T\left(t_i\right)\right]}{n\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P{\left(t_i\right)}^2\right]-{\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left(t_i\right)\right]}^{\text{2}}},$ $a=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}T\left(t_i\right)-b\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left(t_i\right),$ t₁为平稳区起始时刻，t_n为平稳区终止时刻，n为平稳进给区采样点数，以直线方程斜率b的绝对值作为进给***的结构性能特征；

4)从驱动电机转矩信号中减去瞬时冲击成分和趋势函数，得到短周期波动信号T_F，计算短期波动信号的峰峰值max(T_F)-min(T_F)，并通过傅立叶变换获得短期波动信号的频谱图，以峰峰值、频谱峰值、频谱峰值对应频率值作为运动性能特征；

5)对比不同数控机床进给***的运行性能特征值，往返换向时瞬时冲击成分峰峰值越小表明进给***暂态稳定性越好，趋势函数斜率值越小表明进给***结构性能越好，短周期波动峰峰值越小表明进给***总体摩擦转矩越小，运动性能越好，短周期波动频谱峰值指示出主要摩擦做功部件的消耗能量及运动频率。

参照图2所示，本发明信号采集的硬件组成包括：机床进给***、数控***、多点通讯电缆、通讯卡和笔记本电脑，实施例选择西门子840D数控***，对应通讯卡型号为CP5512，采样频率约为13Hz。

参照图3所示，本发明实施例选择某大型高档数控镗铣床，采用立柱移动主轴箱侧挂的落地式布局，能够完成五种直线进给运动：立柱横向移动(X向)、主轴箱垂直移动(Y向)、滑枕轴向移动(Z向)、镗轴轴向移动(W向)和转台纵向移动(V向)，以及转台回转运动(B向)。实施例以X向进给***为对象展开运动性能评估分析。

参照图4所示，对铣镗床1采集X向进给***空载全行程中的进给位置信号P(t)和驱动电机转矩信号T(t)。其X向进给为直齿轮齿条结构，齿轮齿数为38，模数为6，全行程为6000mm，起始位置坐标-2500mm，终止位置坐标-8500mm，进给速度5000mm/min。

参照图5所示，将铣镗床1的X向进给***驱动电机转矩信号分解为瞬时冲击、趋势函数和短周期波动。X向进给***启动位置为-2500mm，换向位置为-8500mm，停止位置为-2500mm，提取上述三个位置的瞬时冲击成分，其中换向位置冲击最大，以其峰峰值23.79Nm作为该进给***暂态稳定性特征；使用最小二乘法拟合除启动、换向和停止位置的稳定进给区内驱动电机转矩信号与进给位置的趋势函数，其中正行程趋势函数为T′(t)＝-1.59+3.09×10^-5P(t)，反行程趋势函数为T′(t)＝-7.12+1.63×10^-4P(t)，以斜率绝对值3.09×10^-5和1.63×10^-4作为该进给***的结构性能特征；从驱动电机转矩信号中减去瞬时冲击成分和趋势函数，得到短期波动信号，其峰峰值为12.26Nm，频率峰值为2.53，峰值频率为0.116Hz，作为运行性能特征，峰值频率0.116Hz对应X向行程718.39mm，近似等于齿轮节圆周长716mm，表明主要摩擦做功由直齿轮偏心产生。

参照图6所示，对铣镗床2采集X向进给***空载全行程中的进给位置信号P(t)和驱动电机转矩信号T(t)。其X向进给为斜齿轮齿条结构，齿轮齿数为52，模数为4.5，全行程为5500mm，起始位置坐标500mm，终止位置坐标6000mm，进给速度5000mm/min。

参照图7所示，将铣镗床2的X向进给***驱动电机转矩信号分解为瞬时冲击、趋势函数和短周期波动。X向进给***启动位置为500mm，换向位置为5500mm，停止位置为500mm，提取上述三个位置的瞬时冲击成分，其中换向位置冲击最大，以其峰峰值17.35Nm作为该进给***暂态稳定性特征；使用最小二乘法拟合除启动、换向和停止位置的稳定进给区内驱动电机转矩信号与进给位置的趋势函数，其中正行程趋势函数为T′(t)＝0.89+6.81×10^-5P(t)，反行程趋势函数为T′(t)＝9.09-7.74×10^-5P(t)，以斜率绝对值6.81×10^-5和7.74×10^-5作为该进给***的结构性能特征；从驱动电机转矩信号中减去瞬时冲击成分和趋势函数，得到短期波动信号，其峰峰值为3.58Nm，频率峰值为0.64，峰值频率为0.102Hz，作为运行性能特征。峰值频率0.102Hz对应X向行程816.99mm，近似等于齿条长度820mm，表明主要摩擦做功由斜齿轮齿条啮合产生。

如表1所示，对两台机床X向进给***驱动电机转矩信号进行分解，提取除各项特征指标。

表1：

由表1可知，铣镗床2-X向进给***各项指标均好于铣镗床1-X向进给***，暂态稳定性好，正反向运行结构性能一致，机械部件摩擦损耗小，该结论与实际情况一致，满足数控机床进给***运行性能量化评估的要求。

Claims (1)

1.一种基于电机转矩信号的机床进给***运行性能评估方法，其特征在于，将空载恒速全进给行程的伺服电机输出转矩，分解为瞬时冲击、趋势函数和短周期波动，分别提取反映进给***暂态稳定性、结构性能与运动性能的特征指标，实现进给***的运行性能评估，包括以下步骤：

1)通过开放式数控***的通讯接口，采集进给轴空载恒速全行程往返过程中的进给位置信号P(t_i)和驱动电机转矩信号T(t_i)，其中t_i为采样时刻；

2)根据进给位置信号P(t_i)，找出非稳定进给阶段的起始时刻与结束时刻t_B和t_E，非稳定进给阶段包括启动、换向或变级阶段，以t_B≤t_i≤t_E时间段内的驱动电机转矩信号为瞬时冲击成分T_I，即_TI＝T(t_i)，t_B≤t_i≤t，计算进给往返换向时的瞬时冲击成分峰峰值max(T_I)-min(T_I)，将其作为进给***暂态稳定性特征；

3)使用最小二乘法拟合稳定进给区内驱动电机转矩信号与进给位置的趋势函数，该趋势函数通常选择直线方程T′(t)＝a+bP(t)，其中 $b=\frac{n\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left(t_i\right)T\left(t_i\right)\right]-\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left(t_i\right)\right]\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}T\left(t_i\right)\right]}{n\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P{\left(t_i\right)}^2\right]-{\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left(t_i\right)\right]}^{\text{2}}},$ $a=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}T\left(t_i\right)-b\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left(t_i\right),$ t₁为平稳区起始时刻，t_n为平稳区终止时刻，n为平稳进给区采样点数，以直线方程斜率b的绝对值作为进给***的结构性能特征；

4)从驱动电机转矩信号中减去瞬时冲击成分和趋势函数，得到短周期波动信号T_F，计算短期波动信号的峰峰值max(T_F)-min(T_F)，并通过傅立叶变换获得短期波动信号的频谱图，以峰峰值、频谱峰值、频谱峰值对应频率值作为运动性能特征；

5)对比不同数控机床进给***的运行性能特征值，往返换向时瞬时冲击成分峰峰值越小表明进给***暂态稳定性越好，趋势函数斜率值越小表明进给***结构性能越好，短周期波动峰峰值越小表明进给***总体摩擦转矩越小，运动性能越好，短周期波动频谱峰值指示出主要摩擦做功部件的消耗能量及运动频率。

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