CN103645064A - 数控机床进给轴机电耦合性能测试台 - Google Patents

数控机床进给轴机电耦合性能测试台 Download PDF

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Abstract

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***的性能测试领域。它包括测试台台体、控制及驱动***、负载***和数据采集及分析***；测试台台体主要由高刚度灰铸铁构成，控制及驱动***主要由数控***、伺服驱动器、伺服电机、电源模块等组成，负载***主要由扭矩加载器、转轴、码盘组件等组成，数据采集及分析***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***参数优化和伺服控制***与机械传动***的不匹配导致的失稳问题。

Description

数控机床进给轴机电耦合性能测试台
技术领域
本发明涉及数控机床伺服进给***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
数据机床的伺服***参数优化是一个比较困难的问题，在机床的伺服***进行调试的过程中，***会给定一组调试轴的默认参数，但这些参数一般是为保证***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***和机械传动***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***与NC伺服***的唯一物理量，其时域频域特征直接影响到机械***的加工质量。机械***作为一个复杂的动力学***，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***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***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
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***参数优化和伺服控制***与机械传动***的不匹配导致的失稳问题。
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***、负载***和数据采集及分析***；其特征在于：所述的控制及驱动***包括数控***、伺服驱动器及伺服电机；负载***包括扭矩加载器、转轴及码盘组件；数据采集及分析***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***控制，驱动伺服电机带动测试台台体的转轴转动。
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***盘支架。
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。
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。
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。
所述的数据采集及分析***，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***的参数优化。通过对控制信号和机械***的固有频率分析，判断伺服控制***与机械传动***的不匹配导致的失稳原因。
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***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***参考指令与输入指令之间时域频域关系，伺服***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***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***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***的优化设计提供依据。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是本发明的测试台主体结构主视图。
图3是本发明的测试台主体结构俯视图。
图中，1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***；19伺服驱动器。
具体实施方式
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***、负载***和数据采集及分析***；控制及驱动***包括数控***18、伺服驱动器19、伺服电机4及电源模块；负载***包括扭矩加载器16、转轴12及码盘组件；数据采集及分析***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。
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1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***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。
当操作数控***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。
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***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***与伺服***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***、伺服***和机械***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***参考指令与输入指令之间时域频域关系，伺服***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。

Claims (6)

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***、负载***和数据采集及分析***；其特征在于：所述的控制及驱动***包括数控***、伺服驱动器及伺服电机；负载***包括扭矩加载器、转轴及码盘组件；数据采集及分析***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***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***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***，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***的参数优化；通过对控制信号和机械***的固有频率分析，判断伺服控制***与机械传动***的不匹配导致的失稳原因。
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