CN102658503A - 一种基于内置传感器的数控机床进给***的模态测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于内置传感器的数控机床进给***的模态测试方法。该方法首先使数控机床工作台按照给定的激励信号运动，同时用信号采集设备同步采集伺服电机电流、电机编码器、光栅尺信号；再对电机电流信号乘以电机的扭矩常数，得到电机的扭矩；并对编码器和光栅尺信号做二次差分，得到工作台的加速度信号和丝杠的角加速度信号；然后计算电机的扭矩和工作台加速度的频响函数，电机的扭矩和丝杠角加速度的频响函数；再对两个频响函数进行拟合，求出拟合的频响函数；最后计算出轴向模态参数和扭转模态参数。与传统的模态测试方法相比，提出的新方法节约了测试成本，并能实现进给***模态参数的在线测试。

Description

一种基于内置传感器的数控机床进给***的模态测试方法

技术领域

本发明涉及一种数控机床进给***模态测试方法，具体设计基于内置传感器的数控机床进给***的模态测试方法。

背景技术

目前数控机床沿着高速高精度方向发展，机床的动态特性是影响加工精度的重要因素。进给***作为数控机床的重要组成部分，直接影响工件的加工质量和加工效率。而模态分析是研究机床动态特性的重要方法；通过模态分析，可以发现机床结构的薄弱环节，从而改进机床结构，改善机床的动态特性。模态分析也可以精确地计算出机床控制***的带宽范围，从而根据带宽对机床的控制器进行设计。

目前数控机床进给***的模态测试方法都是采用传统的测试方法。传统的模态测试技术主要使用激振设备和加速度传感器。而像激振器这种激振设备价格十分昂贵。国产的小型激振器价格在五万元以上，最简单易用的激振设备——力锤由于内部具有精密的力传感器价格也不菲，达数万元。对于激振器这种大型激励设备，安装也很困难，尤其是现有的高档数控机床上。普通加速度传感器的价格虽然不高，但是像角度编码器这种高精密的传感器价格十分昂贵，并且安装维护陈本较高。这些都造成了在数控机床上进行模态测试的成本大大增加。另外，传统的数控机床的模态测试都是在非工况下进行。国外一些研究学者已经证明，与非工况下相比，工况下机床运动部件的润滑状况不同，润滑油的粘度、温度产生变化，引起丝杠、导轨、轴承等部件阻尼变化，从而导致数控机床进给***在工况下的模态与非工况下的模态不同。因此，传统的模态测试方法所得到的模态参数结果与真实结果存在差异。

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内置传感器的数控机床进给***的模态测试方法，降低传统的模态测试成本，实现工况下进给***的模态测试，提高模态测试结果的精度。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

1、一种基于内置传感器的数控机床进给***的模态测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据测试对象的数控程序所能实现的信号类型，从方波信号、正弦波信号、扫频正弦信号、随机信号、伪随机信号中合理地选取一种信号作为激励信号，确定激励信号的基本参数，并根据激励信号编写数控程序G代码，使机床工作台的X轴按照所选取激励信号的轨迹运动；

2)在机床工作台运动的同时，用多通道信号采集设备同步采集X轴伺服电机的电流信号、X轴伺服电机的编码器信号和X轴的光栅尺信号；

3)对采集到的电机电流信号乘以电机的扭矩常数，得到电机的扭矩信号；对采集到的光栅尺信号和编码器信号分别进行二次差分，计算出工作台运动的加速度和丝杠转动的角加速度；

4)把电机的扭矩信号作为输入信号，把计算出的工作台加速度和丝杠角加速度信号分别作为输出信号，计算电机扭矩和工作台加速度的频响函数H_T1(ω)，并计算电机扭矩和丝杠角加速度的频响函数H_T2(ω)；

5)对计算出的频响函数H_T1(ω)和H_T2(ω)分别采用模态参数的频域辨识方法进行拟合，得到拟合的频响函数H_F1(ω)和H_F2(ω)；

6)从拟合的频响函数H_F1(ω)计算出进给***的轴向模态参数——模态频率和阻尼比；从拟合的频响函数H_F2(ω)计算出进给***的扭转模态参数——模态频率和阻尼比。

本发明的模态测试方法与传统的模态测试方法相比，该方法节约了测试成本，并能实现进给***模态参数的在线测试。本发明的模态测试方法不需要使用昂贵的激励设备和加速度传感器，并且在非工况下进行测试，精度较高。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为机床工作台X轴的光栅尺信号。

图3为机床X轴伺服电机的编码器信号。

图4为机床X轴伺服电机的电流信号。

图5为伺服电机与工作台加速度的实测频响函数。

图6为伺服电机与丝杠角加速度的实测频响函数。

图7为伺服电机与工作台加速度的拟合频响函数。

图8为伺服电机与丝杠角加速度的拟合频响函数。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参照图1，一种基于内置传感器的数控机床进给***的模态测试方法，包括以下步骤：

1)根据测试对象的数控程序所能实现的信号类型，从方波信号、正弦波信号、扫频正弦信号、随机信号、伪随机信号中合理地选取一种信号作为激励信号，确定激励信号的基本参数，并根据激励信号编写数控程序G代码，使机床工作台的X轴按照所选取激励信号的轨迹运动；

2)在机床工作台运动的同时，用多通道信号采集设备同时采集X轴伺服电机的电流、X轴伺服电机的编码器和X轴的光栅尺信号；

3)对采集到的电机电流信号乘以电机的扭矩常数，得到电机的扭矩信号；对采集到的光栅尺和编码器信号分别进行二次差分，计算出工作台运动的加速度和丝杠转动的角加速度；

4)把电机的扭矩信号作为输入信号，把计算出的工作台加速度和丝杠角加速度信号分别作为输出信号，计算电机扭矩和工作台加速度的频响函数H_T1(ω)，并计算电机扭矩和丝杠角加速度的频响函数H_T2(ω)；

5)对计算出的频响函数H_T1(ω)和H_T2(ω)分别进行采用模态参数的频域辨识方法进行拟合，得到拟合的频响函数H_F1(ω)和H_F2(ω)；

6)从拟合的频响函数H_F1(ω)计算出进给***的轴向模态参数——模态频率和阻尼比；从拟合的频响函数H_F2(ω)计算出进给***的扭转模态参数——模态频率和阻尼比。

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

在一个开放式数控平台上进行模态测试实验，选取正弦激励信号对机床工作台进行激励，图2为测试到的机床工作台的光栅尺信号，采样频率为5000Hz，采样点数为1024。

首先，在机床工按照预定的轨迹运动时，同时测试机床工作台的光栅尺信号(如图2)，伺服电机的编码器信号(如图3)和伺服电机的电流信号(如图4)。对光栅尺信号和编码器信号分别作二次差分，得到工作台的加速度和丝杠的角加速度。

其次，把电机的扭矩信号作为输入信号，把计算出的工作台加速度和丝杠角加速度信号分别作为输出信号，计算电机扭矩和工作台加速度的频响函数H_T1(ω)，如图5所示，并计算电机扭矩和丝杠角加速度的频响函数H_T2(ω)，如图6所示。对计算出的频响函数H_T1(ω)进行采用模态参数的频域辨识方法进行拟合，得到拟合的频响函数H_F1(ω)，如图7所示。对计算出的频响函数H_T2(ω)进行采用模态参数的频域辨识方法进行拟合，得到拟合的频响函数H_F2(ω)，如图8所示。

最后，从拟合的频响函数H_F1(ω)计算进给***的第一阶轴向模态频率346.4Hz，阻尼比6.31％，第二阶轴向模态频率497.3Hz，阻尼比2.33％。从拟合的频响函数H_F2(ω)计算出进给***的第一阶扭转模态频率1039Hz，阻尼比0.40％，第二阶扭转模态频率1928Hz，阻尼比0.41％。

Claims (1)

1.一种基于内置传感器的数控机床进给***的模态测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据测试对象的数控程序所能实现的信号类型，从方波信号、正弦波信号、扫频正弦信号、随机信号、伪随机信号中合理地选取一种信号作为激励信号，确定激励信号的基本参数，并根据激励信号编写数控程序G代码，使机床工作台的X轴按照所选取激励信号的轨迹运动；

2)在机床工作台运动的同时，用多通道信号采集设备同时采集X轴伺服电机的电流信号、X轴伺服电机的编码器信号和X轴的光栅尺信号；

3)对采集到的电机电流信号乘以电机的扭矩常数，得到电机的扭矩信号；对采集到的光栅尺信号和编码器信号分别进行二次差分，计算出工作台运动的加速度和丝杠转动的角加速度；

4)把电机的扭矩信号作为输入信号，把计算出的工作台加速度和丝杠角加速度信号分别作为输出信号，计算电机扭矩和工作台加速度的频响函数H_T1(ω)，并计算电机扭矩和丝杠角加速度的频响函数H_T2(ω)；

5)对计算出的频响函数H_T1(ω)和H_T2(ω)分别进行采用模态参数的频域辨识方法进行拟合，得到拟合的频响函数H_F1(ω)和H_F2(ω)；

6)从拟合的频响函数H_F1(ω)计算出进给***的轴向模态参数——模态频率和阻尼比；从拟合的频响函数H_F2(ω)计算出进给***的扭转模态参数——模态频率和阻尼比。

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