CN101387879B - 数控设备运动精度测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控设备运动精度测试装置，它包括：连接数控设备的信号调理板，对实时接收的数控设备输出的脉冲信号或反馈信号进行电平转换或输入输出方式的转换；数据采集卡，实时接收信号调理板输入的信号并转换为计算机可读信号，同时输出对数控设备的控制信号；可编程计算机，具有存储模块，保存数控设备加工程序或运行参数并建立理论轨迹，控制数据采集卡输出控制信号，读取数据采集卡输入的数控设备输出脉冲信号或反馈信号，建立实时运行轨迹，显示理论轨迹和实时轨迹并输出。本发明根据数控设备的运动特性构建一个软硬件的平台，通过模拟运行的方式测试数控设备的运动特性，效率高，操作简便，可测试的内容多样，适用性广，测试精度高。

Description

数控设备运动精度测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种数控设备的测试装置，尤其是涉及数控设备运动精度的测试装置。

背景技术

随着现代数控机床朝着高效柔性化和高精化的方向发展，加速推进数控技术正成为解决机床制造业持续发展的一个关键。数控技术作为先进制造业中的一项核心技术在数控系统的研发、生产中得到了广泛而深刻的运用，一些高精度、高性能的数控系统和驱动器也应运而生。然而，随着先进数控系统、驱动器的研发、生产周期缩短，以及用户对现代数控机床的可靠性设计要求提高，一些传统的数控系统测试手段因其设计的简陋只能满足简单功能检测的需要，而不能从细节上充分反映被测对象的性能指标，例如需要现场通过数控机床制作工件后，通过测量工件来检测数控机床的运动精度等等。这些传统的检测方式存在效率低、操作烦杂、先进性弱的不足，其显然已不能真正适应现有数控系统和驱动器设计、生产的需要，因此寻找先进、全面、高效的测试装置成为数控系统研制者的一大方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简便、可以全面测试运动精度且测试效果好的数控设备运动精度测试装置。

本发明的另一目的是提供一种操作方便的数控设备运动精度测试方法。

本发明的技术解决方案是：一种数控设备运动精度测试装置，它包括：

连接数控设备的信号调理板，对实时接收的数控设备输出的脉冲信号或反馈信号进行电平转换或输入输出方式的转换；

数据采集卡，实时接收信号调理板输入的信号并转换为计算机可读信号，同时输出对数控设备的控制信号；

可编程计算机，具有存储模块，保存预设的数控系统加工程序或运行参数并建立理论轨迹；控制数据采集卡输出控制信号，读取数据采集卡输入的数控设备输出脉冲信号或反馈信号，建立实时运行轨迹，显示理论轨迹和实时轨迹并输出。

在所述信号调理板和所述数据采集卡之间设有防护用连接部件，可以屏蔽干扰，形成防护性良好的连接。

所述的数据采集卡与所述可编程计算机之间为直接存储器存取数据连接，数据传递速度快，占用资源少，响应及时。

该数控设备包括数控系统和驱动器。

本发明的另一发明目的的技术方案是：一种使用数控设备运动精度测试装置进行测试的方法，它包括以下步骤：

a)、输入待测试的数控设备的加工程序或运行参数，建立理论轨迹；

b)、调用硬件驱动程序，初始化数据采集卡，准备采集数控系统输出信号；

c)、数控设备运行加工程序，可编程计算机控制数据采集卡输出控制指令，采集数控设备输出的脉冲信号或反馈信号，建立实时加工轨迹，保存至存储模块中；

d)、读取存储的实时加工轨迹数据，选择需要分析的实时加工轨迹段，与相同时间的理论轨迹段对比，分析数控设备在所选加工段的速度特性；

e)、生成测试报告并输出。

它还设有步骤f：读取存贮的实时加工轨迹数据和理论轨迹数据，生成整个加工过程的实时速度曲线和理论速度曲线，并输出显示，形成的测试报告直观，便于对比判断。

本发明的测试方法的步骤d中，选取需要分析的实时加工轨迹段与相同时间的理论轨迹段对比，可以分析数控系统在所选实时加工段的加速、匀速或减速过程的速度特性。在此基础上，还可以进一步分析数控系统在所选实时加工段的加速、匀速或减速过程中直线或圆弧的插补精度、定位精度或C刀补特性。

对于螺纹测试，步骤d中，选取需要分析的实时加工轨迹段与相同时间的理论轨迹段对比，分析数控系统在所选实时加工轨迹段内螺纹加工的加速、匀速或减速过程中的速度特性。在此基础上，还可以进一步分析数控系统在所选实时加工轨迹段的螺纹加工加速、匀速或减速过程中的插补精度。

本发明的步骤d中，选取需要分析的实时加工轨迹段与相同时间的理论轨迹段对比，分析驱动器的跟随特性、频宽特性、动态响应或线性度特性。

本发明的优点在于：根据数控设备的运动特性构建一个软硬件的平台，通过模拟运行的方式测试数控设备的运动特性，效率高，操作简便，可测试的内容多样，方便分段测试对比，数据传输快捷，适用性广，测试精度高。

附图说明

附图1为本发明测试装置结构示意图；

附图2为本发明测试方法逻辑框图；

附图3为数控系统直线圆弧精度测试流程图；

附图4为数控系统螺纹精度测试流程图；

附图5为驱动器精度测试流程图；

附图6为直线插补轨迹图；

附图7为圆弧插补轨迹图；

附图8为放大1600倍的直线加工轨迹图；

附图9为放大1900倍圆弧加工轨迹图；

附图10为带C刀补的轨迹图；

附图11为图10中AB直线段的放大轨迹图；

附图12为图10中CD圆弧段的放大轨迹图；

附图13为本发明实验例中波形图；

附图14为本发明实验例中波形图；

附图15为本发明实验例中给定速度与转速时间梯度图；

具体实施方式

实施例：

参阅图1和图2，一种数控设备运动精度测试装置，该数控设备包括数控系统和驱动器，它还包括：

连接数控设备的信号调理板，可实时接收数控系统和各驱动器编码器或码盘输出的速度或位置脉冲信号，并进行电平转换或输入输出方式转换；

数据采集卡，可实时接收信号调理板输入的信号并转换为计算机可读信号，同时输出对数控系统和驱动器的控制信号；

可编程计算机，具有存储模块，保存预设的数控系统加工程序并建立理论轨迹；可运行加工程序，输出控制信号，读取数据采集卡输入的实时加工轨迹数据，显示理论轨迹和实时轨迹并输出。

在信号调理板和数据采集卡之间设有防护用连接部件，可以屏蔽干扰，形成防护性良好的连接。

数据采集卡与可编程计算机之间为直接存储器存取数据连接，数据传递速度快，占用资源少，响应及时。

本测试装置中的数据采集卡采用美国NI公司的PCI-6602和PCI-6229。PCI-6602是一款基于PCI总线的数字板卡，其有8个32位的计数通道，TTL/CMOS兼容的数字I/O口，有脉冲计数、周期测量、编码器位置测试、脉冲信号发生、方波信号发生等许多工作模式，同时可以DMA的方式与PC进行数据传递。

PCI-6229是一款基于PCI总线的板卡，其具有32个单端/16个差分模拟输入通道(16位精度)、4个模拟输出通道(16位精度)、48个高速数字I/O，并提供DMA高速数据通道，其NC-Mcal自校准技术将A/D转化精度提高5倍。

PCI-6602主要用于采集来自数控系统、码盘、编码器并通过调理板的脉冲信号，另一方面又作为数控系统和驱动器的控制信号源。PCI-6229可以采集脉冲信号和模拟信号，其主要作为驱动器速度方式下的控制信号源。

连接部件采用美国NI公司的SCB-68，其具有68个端子可与NI公司的68或100引脚的DAQ器件形成防护性良好的连接。

信号调理板起着信号匹配的作用。因为数据采集卡的有效输入、输出信号采用TTL/CMOS电平，数控系统的部分信号为24V有效，而码盘及编码器采用差分输出方式，信号调理板就是对所有需要采集到板卡的信号和控制测试对象的信号进行电平转换或输入/输出方式的转换。

数控系统和驱动器为测试对象。数控系统控制驱动器，驱动器在位置方式或速度方式下驱动电机，使其在一定时间内按一定速度运行，电机转子的速度和位置通过码盘或编码器反馈给驱动器和数据采集卡，从而形成整个测试装置的信号回路。

本实施例中可编程计算机上运行的测试软件以LabVIEW 7.1作为开发平台，通过计算机及测试软件驱动数据采集卡PCI-6602和PCI-6229，将数控系统和驱动器的有效数据采集并保存至计算机，再利用测试软件对采集到的数据进行处理、分析，从而得出测试结果。

一种使用前述数控设备运动精度测试装置进行测试的方法，它包括以下步骤：

a)、输入待测试的数控设备的加工程序或运行参数，建立理论轨迹；

b)、调用硬件驱动程序，初始化数据采集卡，准备采集数控系统输出信号；

c)、数控设备运行加工程序，可编程计算机控制数据采集卡输出控制指令，采集数控设备输出的脉冲信号或反馈信号，建立实时加工轨迹，保存至存储模块中；

d)、读取存储的实时加工轨迹数据，选择需要分析的实时加工轨迹段，与相同时间的理论轨迹段对比，分析数控设备在所选加工段的速度特性；

e)、生成测试报告并输出。

以下参见图3，进一步详细说明在测试数控系统的直线、圆弧精度时，所采用的步骤：

1、准备测试；

2、输入数控系统加工程序，生成理论轨迹；

3、开始测试，调用硬件驱动程序，初始化数据采集卡，准备采集数控系统轴输出信号；

4、数控系统运行加工程序，输出控制指令，采集数控系统输出的脉冲信号，建立实时加工轨迹，并保存在存储模块中；

5、程序运行完毕后，停止采集数据；

6、读取存储模块中的实时加工数据，并分离出各加工轨迹段数据；此时同步输出显示整个加工过程的速度曲线；

7、选取需要分析的加工轨迹段；

8、分析数控系统在所选加工段的加速、匀速或减速过程中的速度特性，或者分析数控系统在所选加工段加速、匀速或减速过程中直线、圆弧的插补精度、定位精度或C刀补特性；

9、生成测试报告输出；

10、选择是否进行下一次测试。

当数控系统进行直线或圆弧插补时，测试系统采集到的加工轨迹如图6和图7所示。

数据采集卡以计数方式将数控系统的脉冲信号采集到可编程计算机中，根据数控系统的脉冲单量可计算出每一个采样点对应的实际坐标位置，可计算出每一个采样点偏离理论轨迹的距离，从而得到插补精度。

拟合圆的圆心(x₀，z₀)和半径r需满足以下条件： $\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}[{(x_i-x_0)}^2+{(z_i-z_0)}^2-r^2{]}^2=\min .$

当x0和z0符合下式时上式成立。X＝{x₀，x₁，……}；Z＝{z₀，z₁，……}，采样点数为N。

$\left|\begin{array}{cc}\mathrm{\Σ}(X-\stackrel{\‾}{X})*X& \mathrm{\Σ}(X-\stackrel{\‾}{X})*Z\\ \mathrm{\Σ}(X-\stackrel{\‾}{X})*Z& \mathrm{\Σ}(Z-\stackrel{\‾}{Z})*Z\end{array}\right|\×\left|\begin{array}{c}{x}_0\\ z_0\end{array}\right|=\left|\begin{array}{cc}\mathrm{\Σ}(X-\stackrel{\‾}{X})*(X^2+Z^2)& \\ \mathrm{\Σ}(Z-\stackrel{\‾}{Z})*(X^2+Z^2)& \end{array}\right|$

解上面的的线性方程得出圆心坐标(x₀，z₀)

圆弧半径

$r=\sqrt{[\mathrm{\Σ}(X-x_0){]}^2+[\mathrm{\Σ}(Z-z_0){]}^2/N}$

测试定位精度时：

取插补终点(z_max，x_max)，z方向上的位置精度为(z_max-z_e)，x方向上的位置精度为(x_max-x_e)。

测试数控系统的速度、加速度特性时，以数控系统的插补周期为时间单位来计算。

采样序列X＝{x₁、x₂、x₃……}，Z＝{z₁、z₂、z₃……}，数控系统插补周期为T，数据采样频率为f，则插补周期内的采样点数为：N＝T.f/1000。

数控系统在每个插补周期内X方向的速度为：Vx＝x(i+N)-xi/T，Z方向的速度为：V_z＝(z_i+N-z_i)/T，合成速度为：V＝sqrt(V_z ²+V_x ²)，从而可得到数控系统加工的速度曲线。

根据速度特性将采样数据分为加速、匀速、减速三段，匀速段的平均速度、速度波动率及误差分布可由数学函数来计算，同时根据数控系统采用的加减速方式以最小二乘法拟合出加减速时间常数。

参见图8，理论轨迹是指检测装置根据数控系统的加工程序，依据直线方程： $\frac{X-X0}{\mathrm{Xe}-X0}=\frac{Z-Z0}{\mathrm{Ze}-Z0}$ 生成的轨迹图，其中，(X0，Z0)为直线起点坐标，(Xe，Ze)

为直线终点坐标；实测轨迹是指检测装置将数据采集卡采集的数控系统X轴与Z轴的脉冲数据。从放大1600倍的直线加工理论轨迹图和实测轨迹图中可以看出数控系统的直线加工轨迹精度小于1um。

参见图9，理论轨迹是指检测装置根据数控系统的加工程序，依据圆方程：(X-Xc)²+(Z-Zc)²＝R²生成的轨迹图，其中，(Xc，Zc)为圆心坐标，R为圆弧半径；实测轨迹是指检测装置将数据采集卡采集的GSKXXX之X轴与Z轴的脉冲数据。从放大1900倍的圆弧加工理论轨迹图和实测轨迹图中可以看出数控系统的圆弧加工轨迹精度小于1um。

参阅图4，进一步说明在测试数控系统的螺纹加工精度时，所采用的方法：

1、准备测试；

2、输入数控系统螺纹加工程序，生成理论轨迹；

3、开始测试，调用硬件驱动程序，初始化数据采集卡，准备采集数控系统轴输出信号；

4、数控系统运行螺纹加工程序，可编程计算机控制数据采集卡输出控制指令，采集数控系统输出的脉冲信号，建立实时加工轨迹，并保存在存储模块中；

5、程序运行完毕后，停止采集数据；

6、读取存储模块中的实时加工数据，并分离出各加工轨迹段数据；此时同步输出显示整个加工过程的速度曲线；

7、选取需要分析的加工轨迹段；

8、选择分析螺纹加工的加速、匀速或减速过程中的速度特性，或者分析螺纹加工的加速、匀速或减速过程中的插补精度；

9、生成测试报告输出；

10、选择是否进行下一次测试。

采集数控系统的脉冲信号和主轴编码器反馈信号，采样计数值从而可得到实际坐标位置和主轴旋转角度。

螺纹的参数方程为：x＝Rsinθ

                  y＝Rcosθ

                  z＝P*θ/2π＝Z₀+Z_i

其中，R＝X₀+X_i，θ＝θ_i，X₀和Z₀都为螺纹加工的起点坐标，由此可得到加工螺纹螺旋曲线的三维坐标(x，y，z)。将螺纹在y-z平面的投影通过图形工具显示出来，可查看加工螺纹的细节。

根据螺纹加工的特点，在主轴编码器的一转信号产生时读取一次螺纹长轴的位置，便可得到一系列长轴位置坐标ZP_i，螺纹的螺距P_i＝ZP_i-ZP_i-1，从而可以得到螺纹的加工精度。

参阅图10、11和12，进一步说明带C刀补的加工轨迹测试分析方法。

以第一象限为例说明C刀补(G41时)分析的原理。根据理论轨迹生成在设定刀具参数下的理论C刀补的假象刀尖轨迹，如图10所示。

图10中采用前刀座坐标系，其中，T1～T8表示8种不同的假想刀尖号，r表示刀尖半径。加工轨迹为直线1(A→B)，直线2(B→C)，圆弧(C→D)，刀具半径为r，刀补方向为G41，假想刀尖采用T1。先求刀具圆心轨迹，即先确定A0，B01，B02，C01，C02，D0。所以直线A→B对应的刀具圆心轨迹为A0→B01，直线B→C对应的刀具圆心轨迹为B02→C01，圆弧对应的刀具圆心轨迹为C02→D0。

理论轨迹为直线时，以图10中直线1(A→B)为例说明。如图11所示，直线1(A→B)执行C刀补后的刀尖圆心轨迹为直线(A0→B01)，AB到A0B01即将AB在Z轴平移AF，在X轴上平移FA0，就可得到刀具圆心的直线A0B01。

AF＝r|sin＜AA0F|

FA0＝r|cos＜AA0F|

＜AA0F＝＜BAF

＜BAF为直线AB的倾斜角。

根据AB两点理论的轨迹坐标，A(ZA，XA)，B(ZB，XB)。

则直线AB的斜率k＝XB-XA/ZB-ZA

取＜BAF＝arctank

sin＜AA0F取|sin(arctank)|cos＜AA0F取|cos(arctank)|

当B相对A在第一象限，刀补方向为G41时，

AF＝r|sin(arctank)|

FA0＝r|cos(arctank)|

同理，可计算在其他象限及刀补方向的刀尖圆心轨迹。

理论轨迹为圆弧时，以图10中圆弧(C→D)为例说明。如图12所示，圆弧(C→D)执行C刀补后的刀尖圆心轨迹为圆弧(C02→D0)，弧

到弧就是将弧

的起点C的坐标(ZC，XC)在X轴方向平移CG，在Z轴方向平移GC02，得到刀具圆心的起点C02，终点D的坐标(ZD，XD)在X轴方向平移DH，在Z轴方向平移HD0，得到刀具圆心的终点D0。然后以O为圆心，OC02为半径起点为C02，终点为D0的圆弧就是刀具圆心的轨迹。

由图12中知，CG＝r|sin＜CC02G|，GC02＝r|cos＜CC02G|，

起点C与圆心O相连直线的倾斜角为α，圆心O的坐标为(ZO，XO)，所以 $k=\tan \mathrm{\α}=\frac{\mathrm{XC}-\mathrm{XO}}{\mathrm{ZC}-\mathrm{ZO}},$ |sin＜CC02G|＝|sin(tank)|，|cos＜CC02G|＝|cos(tank)|

当C相对O是在第一象限时，刀补方向为G41时：

GC02＝r|sin(arctank)|，CG＝r|cos(arctank)|

同理，可计算在其他象限及刀补方向的刀尖圆心轨迹。

根据所选的假想刀尖号，将刀尖圆心轨迹平移即得到刀具的假想刀尖轨迹：直线1(A’→B1’)，直线2(B2’→C1’)，圆弧(C2’→D0’)。

刀号T0时，不加C刀补；

刀号T1时，刀尖圆心轨迹在X轴上平移r，Z轴上平移r；

刀号T2时，刀尖圆心轨迹在X轴上平移r，Z轴上平移-r；

刀号T3时，刀尖圆心轨迹在X轴上平移-r，Z轴上平移-r；

刀号T4时，刀尖圆心轨迹在x轴上平移-r，Z轴上平移r；

刀号T5时，刀尖圆心轨迹在X轴上平移0，Z轴上平移r；

刀号T6时，刀尖圆心轨迹在X轴上平移r，Z轴上平移0；

刀号T7时，刀尖圆心轨迹在X轴上平移0，Z轴上平移r；

刀号T8时，刀尖圆心轨迹在x轴上平移-r，Z轴上平移0。

参阅图5，在测试驱动器的运动精度时，可采取以下步骤：

1、准备测试；

2、输入测试参数，生成理论轨迹；

3、开始测试，调用硬件驱动程序，初始化数据采集卡，准备采集电机码盘反馈信号；

4、可编程计算机控制数据采集卡输出控制指令，采集电机码盘反馈信号，并保存在存储模块中；

5、控制指令输出完毕，停止采集数据；

6、读取存储模块中保存的码盘反馈数据；此时同步输出显示整个测试过程的速度曲线；

7、分析驱动器的跟随特性、频宽特性、动态响应或线性度特性；

8、生成测试报告输出；

9、选择是否进行下一次测试。

以下详细说明不同测试过程中的测试原理。

A、驱动器和数控系统的跟随测试。

跟随测试主要用于测试驱动器的速度跟随情况和位置跟随情况，使用一个计数器对数控系统输出进行计数，另一个计数器对电机码盘的反馈进行计数，同时以一个ms级的时钟定时读取两计数器的值。将上面取得数据，显示在速度时间图和位置时间图中，从而可得出驱动的速度和位置延时。

B、驱动器动态响应测试。

本测试只使用了一个计数器对驱动的码盘计数，同时以一msS级的时钟定时读取计数器的值。

在测试的过程中加减负载，加减惯量盘，启停车。

将上的速度变化过程记录下来显示在速度时间图中就得到了驱动的速度动态响应曲线。

本测试中还带有速度自功率谱分析又称功率谱，它可以用来反映信号中能量集中的频率。因此可以用于分析出伺服驱动系统的干扰原。

功率谱就是对信号的自相关进行傅立叶变换。

采集的转速V＝v(i)(i＝0，1，2，….N-1)

自相关的离散公式为

$R_{\mathrm{XX}}\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{N-\left|k\right|-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(i\right)x(i+k),$

k＝0，±1，±2，......，±(N-1)

功率谱 $S_x\left(f\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{R}_{\mathrm{XX}}\left(\mathrm{\τ}\right)e^{-j2\mathrm{\πft}}\mathrm{d\τ}$

离散公式为 $S_x\left(f\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{XX}}\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}}$

先求采集转速的V的自相关函数然后求自功率谱。

C、驱动器频宽测试。

测试使用了数据采集卡PCI-6229和PCI-6602，PCI-6229输出一频率变化的正弦电压，由PCI-6229和PCI-6602同步采集输出的电压和电机码盘的速度信号。

将两正弦曲线拟合。采样的点数为N。

拟合公式：Y=A*sin(W*X)+B*cos(W*X)+C；

根据最小二乘法拟和有

X^TXx＝X^TY

$X=\left(\begin{array}{ccc}1& \sin (W*X_0)& \cos (W*X_0)\\ 1& \sin (W*X_1)& \cos (W*X_1)\\ 1& \sin (W*X_2)& \cos (W*X_2)\\ 1& ...& ...\end{array}\right)$ $x=\left|\begin{array}{c}C\\ A\\ B\end{array}\right|$ $Y=\left|\begin{array}{c}{Y}_0\\ Y_1\\ Y_2\\ ...\end{array}\right|$

所以

$X^{T}X=\left|\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ \sin (W*X_0)& \sin (W*X_1)& \sin (W*X_0)& ...\\ \cos (W*X_0)& \cos (W*X_1)& \cos (W*X_2)& ...\end{array}\right|$

$\×\left(\begin{array}{ccc}1& \sin (W*X_0)& \cos (W*X_0)\\ 1& \sin (W*X_1)& \cos (W*X_1)\\ 1& \sin (W*X_2)& \cos (W*X_2)\\ 1& ...& ...\end{array}\right)$

$x=\left|\begin{array}{c}C\\ A\\ B\end{array}\right|$

$X^{T}Y=\left|\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ \sin (W*X_0)& \sin (W*X_1)& \sin (W*X_0)& ...\\ \cos (W*X_0)& \cos (W*X_1)& \cos (W*X_2)& ...\end{array}\right|\×\left|\begin{array}{c}{Y}_0\\ Y_1\\ Y_2\\ ...\end{array}\right|$

$X^T\mathrm{Xx}=\left|\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ \sin (W*X_0)& \sin (W*X_1)& \sin (W*X_0)& ...\\ \cos (W*X_0)& \cos (W*X_1)& \cos (W*X_2)& ...\end{array}\right|$

$\×\left(\begin{array}{ccc}1& \sin (W*X_0)& \cos (W*X_0)\\ 1& \sin (W*X_1)& \cos (W*X_1)\\ 1& \sin (W*X_2)& \cos (W*X_2)\\ 1& ...& ...\end{array}\right)\×\left|\begin{array}{c}C\\ A\\ B\end{array}\right|=$

$\left|\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ \sin (W*X_0)& \sin (W*X_1)& \sin (W*X_0)& ...\\ \cos (W*X_0)& \cos (W*X_1)& \cos (W*X_2)& ...\end{array}\right|\×\left|\begin{array}{c}{Y}_0\\ Y_1\\ Y_2\\ ...\end{array}\right|$

求解上面的线性方程可得C，A，B。

故，初始相位ψ＝arctan(A/B)，幅值Au＝sqr(A^2+B^2)。

输出电压的相位ψ1，电机转速的相位ψ1，输出电压幅值对应的转速为V1，电机转速的幅值为V2。

相位差Δψ＝ψ1-ψ2

衰减度为V2/V1*100％

D、驱动器的线形度测试。

由PCI-6229输出可调节的梯阶形电压，同时由PCI-6602采集码盘反馈信号，从而得到电机转速。将输出的电压和对应的转速显示在电压转速图中，并将电压转速曲线做最小二乘法拟合：

按直线方程：Y＝a*X+b

采集转速为Y＝{R0，R1，……RN)，对应电压X＝{V0，V1，……VN}所以根据最小二乘法拟合有

X^T Xx＝X^TY

∴ $X^{T}X=\left(\begin{array}{cc}N& \mathrm{\ΣX}\\ \mathrm{\ΣX}& \mathrm{\Σ}{X}^2\end{array}\right)$ $x=\left|\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right|$

$X^{T}Y=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ΣY}\\ \mathrm{\ΣXY}\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{cc}N& \mathrm{\ΣX}\\ \mathrm{\ΣX}& \mathrm{\Σ}{X}^2\end{array}\right)\×\left|\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right|=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ΣY}\\ \mathrm{\ΣXY}\end{array}\right)$

驱动响应的方程为Y＝a*X+b

驱动线性度分析：将拟合的数据和实际采集的数据按独立线形度计算法计算驱动的线性度。即转速的最大差Δv，最高转速Vmax，线性度＝Δv/Vmax。

E、速度重复精度测试。

将多次测试的线形度测试测试数据读出，

第一次测试的数据A＝{VVA1，VVA2，VVA3……}

第二次测试的数据B＝{VVB1，VVB2，VVB3……}

第三次测试的数据C＝{VVC1，VVC2，VVC3……}

其中(VVA1，VVB1，VVC1，……)，(VVA2，VVB2，VVC2，……)，(VVA3，VVB3，VVC3，……)

所对应的电压相同。

ΔV1＝MAX[(VVA1-VVB1)，(VVA1-VVC1)，……(VVB1-VVC1)，……]

ΔV2＝MAX[(VVA2-VVB2)，(VVA2-VVC2)，……(VVB2-VVC2)，……]

ΔV3＝MAX[(VVA3-VVB3)，(VVA3-VVC3)，……(VVB3-VVC3)，……]

最大误差ΔVMAX＝MAX(ΔV1，ΔV2，ΔV3，……)

即速度的重复精度。

以下结合实验例进一步说明本发明的有益效果：

一、试验目的

驱动器在位置控制方式下的精度对比试验以及在速度控制方式下的精度对比试验。

二、试验设备、仪器以及环境条件

环境条件：室温，26℃~34℃；湿度，55％~88％

仪器设备：转矩转速测试台，转矩转速测试系统；

惯量盘测试台(含惯量盘)，3.0Kw调压器，Labview测试装置；

数控系统：广州数控设备有限公司制造生产的型号规格为GSKXXX的机床数控系统，编号：CC13559XX

电机：130ST-M06025H    编号：DJ06

驱动器：广州数控设备有限公司制造生产的型号规格为DAXXX、DAXX、MX的驱动器各一台

三、试验项目

位置控制方式下：转速波动、稳速误差、静态刚度、定位精度(包括重复定位精度和单向定位精度)、指令脉冲宽度(最小)、最高脉冲频率、动态速升/速降、动态恢复时间以及位置指令阶跃时的动、静态性能。

速度控制方式下：转速波动、稳速误差、频带宽度、动态速升/速降及恢复时间、速度指令分辨率、线性度、重复精度，以及速度指令阶跃时的动、静态性能。

四、测试依据

中华人民共和国机械行业标准JB/T 10184-2000

中华人民共和国国家标准    GB/T 16439-1996

五、试验内容

1、定位精度测试(位置控制方式下)

定位精度分重复定位精度和单向定位精度。单向定位精度只做单方向的运行，将理论上的位置量和实际位移量作对比，其差值为单向定位精度。重复定位精度做往返多次运行，试验中要求电机在200r/min和700r/min做100次往返运动，带不同的负载，运动完100次后回到0位置点。在往返过程中分两种情况，一种情况是在运动始点和终点加暂停(G04 X1)，另一种不加暂停。下表中的值是相对于0位置点的值，即重复定位精度。

重复定位精度测试程序(不加暂停)：

主程序：00125；    子程序：00120；

        M03；              G50  X0 Z0；

M98 P1000120；    G1 X11.389 F2000；

M05；             G1 U-11.389；

M30；             M99；

重复定位精度测试程序(加暂停)：

主程序：00125；   子程序：00120；

M03；                     G50 X0 Z0；

M98 P1000120；            G1 X11.389 F2000；

M05；                     G04 X1；

M30；                     G1 U-11.389；

                          G04  X1；

                          M99；

表1重复定位精度数据记录表：(单位：mm)

表2  单向定位精度数据记录表：(单位：mm)

2、静态刚度测量(位置控制方式下)

电机处于空载零速工作状态，对电动机轴端正转方向或反转方向施加连续转矩T₀，测量出转角的偏移量Δθ，则静态刚度Ks为：

Ks＝T₀/Δθ

测试中，对DAXX和DAXX分别测量40次，记录每次测量的最大脉冲量，求平均值即可得出转角的偏移量。测量数据如下：

DAXXX：

577  532  488  564  537  547  511  492  536  582

650  465  472  491  556  539  505  575  558  544

498  432  546  579  538  511  556  523  600  568

541  502  613  518  560  534  474  552  552  559

平均值为：523

DAXX：

157  138  154  170  107  161  165  169  172  117

146  102  124  177  126  134  126  172  127  163

138  158  127  143  132  165  145  175  101  135

105  153  139  127  123  144  142  170  133  140

平均值为：143

试验中，挂重为：G＝mg＝8.75*9.80665

力臂长：L＝63.595*10^-3

则转角计算为，Δθ＝523*360/10000＝18.828°＝18.828*360’(以DAXXX为例)

则DAXXX的静态刚度为：

Ks＝T₀/Δθ＝8.75*9.80665*63.595*10^-3/18.828*360＝0.805*10^-3N.M/’

DAXX的静态刚度为：

Ks＝T₀/Δθ＝8.75*9.80665*63.595*10^-3/5.148*360＝2.944*10^-3N.M/’

3、稳速误差试验

(1)温度变化的稳速误差：伺服系统在空载条件下，处于恒温的环境中，在20℃温度下将电机转速调至n_N，再将温度调至0℃，热平衡后，记录此时的转速n₁，再将温度调至40℃，记录此时的转速n₂，则温度变化的稳速误差为：

温度变化的稳速误差＝|n_i-n_N|/n_N*100％，i＝1，2

该试验可在实验室恒温箱中进行。

(2)电压变化的稳速误差：在额定输入电压时将电机转速调至n_N并施加额定功率对应的负载转矩，将输入电压调至额定值的110％，记录此时的转速n₁，再将电压调至额定值的85％，记录此时的转速n₂，则电压变化的稳速误差为：

电压变化的稳速误差＝|n_i-n_N|/n_N*100％，i＝1，2

速度控制方式下：

DAXXX：试验中所用电压为2相输入，在转速n_N＝1998.47r/min，施加额定功率1.5Kw，此时的负载转矩为7.2N.M。增加输入电压到220×110％＝242V时，待电机运行一段时间，测得电机的平均转速为1998.62r/min，将输入电压缓慢降低到220×85％＝187V时，测得电机的平均转速为1985.34r/min，运行一段时间后，电机转速开始波动，并最终发生6#报警。

242V电压时：电压变化的稳速误差＝|n_i-n_N|/n_N*100％＝0.0075％

187V电压时：电压变化的稳速误差＝|n_i-n_N|/n_N*100％＝0.66％

MX：试验中所用电压为2相输入，在220V输入电压时，测得的转速为

n_N＝1999.21r/min，

电压为242V时，测得的转速为n_N＝1999.27r/min

电压为187V时，测得的转速为n_N＝1999.23r/min

242V电压时：电压变化的稳速误差＝|n_i-n_N|/n_N*100％＝0.003％

187V电压时：电压变化的稳速误差＝|n_i-n_N|/n_N*100％＝0.001％

位置控制方式下：

DAXXX：试验中所用电压为2相输入，在输入电压为220V和242V时，平均转速没有变化。电压降低到192V时，运行不到1分钟就发生过负载报警。

MX：试验中所用电压为2相输入，在220V输入电压时，测得的转速为n_N＝2500.01r/min，电压为242V时，测得的转速为n_N＝2500.02r/min，

可见稳速误差很小，近似为零，电压为202V时，发生12#报警。

(3)时间变化的稳速误差：在正常环境条件、额定电压下，维持温度在正负2度的范围内，连续运行8小时，每0.5小时测量一次转速，则稳速误差为：

时间变化的稳速误差＝|n_i-n_N|/n_N*100％，i＝1，2……16

取最大偏差值作为试验结果。测量数据如下：(单位：r/min)

DAXXX：2500.01  2500.01  2500.01  2500.02  2500.01  2500.00  2500.02

       2500.02  2500.02  2500.02  2500.02  2500.01  2500.01

       2500.00  2500.00  2500.01

则DAXXX时间变化的稳速误差＝|n_i-n_N|/n_N*100％＝0.0008％

DAXX：2500.01  2500.01  2500.01  2500.02  2500.01  2500.01  2500.01

      2500.01  2500.01  2500.01  2500.00  2500.01  2500.01

      2500.02  2500.02  2500.01

则DAXX时间变化的稳速误差＝|n_i-n_N|/n_N*100％＝0.0008％

4、动态性能测试

系统正常运行时，对电机突然施加转矩负载或突然卸去转矩负载，电机转速随时间变化即为伺服系统对转矩变化的时间响应。

试验中，在不同的转速下施加不同的负载，每组数据进行5次测量，取其平均值，下表3中和表4中所列数据为平均值。

位置控制方式下的DAXXX、DAXX，以及速度控制方式下的MX在突加卸负载时的波形图如图13所示，速度控制方式下的DA9XXX在突加卸负载时的波形图如图14所示，

表3：位置控制方式下

表4：速度控制方式下：

5、指令脉冲宽度(最小)/最高脉冲频率测试

给定位置指令，其脉冲(方波)宽度和周期可变，改变周期可以改变电机的转速，改变脉冲宽度，即改变占空比。先将脉冲宽度设为1us，其分别在100r/min，1000r/min，2500r/min三个转速下运行。固定某一转速，逐渐降低脉冲宽度，直至驱动不能响应(所发脉冲数和反馈回的脉冲数不等)，此时的脉冲宽度即为最小的指令脉宽。

在三组转速下，分别测量10次，10次驱动都能响应的脉宽为：

DAXXX：100r/min时的最小脉宽为0.032us；

       1000r/min时的最小脉宽为0.032us；

       2500r/min时的最小脉宽为0.032us；

因此可以认为DAXXX的最小指令脉冲宽度为：0.032us。

DAXX：100r/min时的最小脉宽为0.32us；

      1000r/min时的最小脉宽为0.32us；

      2500r/min时的最小脉宽为0.32us；

因此可以认为DAXX的最小指令脉冲宽度为：0.32us。

同理，给定一固定的脉宽，设定驱动器的电子齿轮比，通过改变脉冲周期(即电机转速)，就可以求出最高脉冲频率。

试验中电子齿轮比为：1/10，DAXXX的脉宽在1.2us、0.5us、0.4us、0.032us分别进行试验，DAXX的脉宽在0.6us、0.5us、0.4us、0.32us分别进行试验，多天多次测量，得出的结果为：

DAXXX的最高转速为：4593r/min(第一天)、4549r/min(第二天)、4549r/min(第三天)，取一保守值为：4500r/min，转化成最高脉冲频率为：750KHz

DAXX的最高转速为：7680r/min(第一天)、7680r/min(第二天)、7680r/min(第三天)，取一保守值为：7500r/min，转化成最高脉冲频率为：1250KHz。

6、惯量适应性测试

在系统稳定的前提下，给系统施加不同倍数的惯量盘，给定位置指令阶跃信号，测量其响应时间及其超调量。

测量数据如下表所示：(电机转子惯量为1.26×10^-3Kg.m²)

表5：速度方式下(速度指令阶跃)：

表6：位置方式下(位置指令阶跃)：CW方向

表7位置方式下(位置指令阶跃)：CCW方向

7、频带宽度测试(速度控制方式)

在速度控制方式下，给驱动器输入正弦波转速指令，其幅值为额定转速指令值的0.01倍，频率由1Hz逐渐升高，对应的输出量的相位滞后逐渐增大同时幅值逐渐减小，相位滞后增大至90°或幅值减小到1/

时的频率认为是驱动器的频带宽度。

试验中，将反馈的电机速度曲线和系统给定的速度曲线相比较，如果实际速度曲线要滞后给定速度曲线90°，则此时的频率为90°时的频带宽度；如果实际速度曲线的幅值减小到给定速度曲线幅值的1/

，则此时的频率定义为-3dB的频带宽度，本次试验采用的是-3dB频带宽度，进行10次测量，-3dB频带宽度的测量结果为：

DAXXX频带宽度为：23.6Hz

MX频带宽度为：22.5Hz

8、速度指令分辨率、线性度、重复精度测试(速度控制方式)

参阅图15所示，给定速度指令-10v到10v的变化(反之亦然)，变化幅度为0.1v/4s，记录转速(电压)/时间梯度曲线，将采样得到的数据进行最小平方拟合(差的平方和最小)，得到如图所示直线。这里求得的线性度为独立线性度，它是实际采样数据相对于直线的最大偏差，令该偏差为Δn，则求得的独立线性度为：

独立线性度＝Δn/n_N*100％＝Δn/2500*100％

读出任意两组数据，从10v到-10v分别求出同一转速指令时的转速差，即：Δn₁(10v)、Δn₂(9.9v)、Δn₃(9.8v)、Δn₄(9.7v)、……Δn_i，i＝1，2，3……200，取max{Δn₁、Δn₂ Δn₃ Δn₄……Δn_i}为重复精度。

给定某一速度指令，以1mv为单位的电压递增，采集速度/时间曲线，分析速度/时间曲线的速度阶跃情况，如果速度发生了阶跃，则计算该次速度阶跃过程中电压递增的次数，次数(单位1mv)即为速度指令分辨率。

测量10次，得出的结果为：

速度指令分辨率：

MX：3mv

DAXXX：4mv

重复精度：

MX：   未加载时0.390r/min  加载(4N.M)时0.415r/min

DAXXX：未加载时1.262r/min  加载(4N.M)时0.855r/min

线性度：

表8：MX与DAXXX(变化梯度0.1v/4s)

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (9)

1.一种数控设备运动精度测试装置，其特征在于：该数控设备包括数控系统和进给轴驱动器，以及：

连接数控设备的信号调理板，对实时接收数控系统和进给轴驱动器输出的速度或位置脉冲信号进行电平转换或输入输出方式转换；

数据采集卡，实时接收信号调理板输入的信号并转换为计算机可读信号，同时输出对数控系统和进给轴驱动器的控制信号；

可编程计算机，具有存储模块，保存预设的数控系统加工程序和进给轴驱动器的运行参数并建立理论轨迹；运行数控系统的加工程序，控制数据采集卡输出进给轴驱动器控制信号，读取数据采集卡输入的数控系统和进给轴驱动器输出的脉冲信号或反馈信号，建立实时运行轨迹，显示理论轨迹和实时轨迹并输出，分析进给轴驱动器的跟随特性、频宽特性、动态响应或线性度特性。

2.根据权利要求1所述的数控设备运动精度测试装置，其特征在于：在所述信号调理板和所述数据采集卡之间设有防护用连接部件。

3.根据权利要求1或2所述的数控设备运动精度测试装置，其特征在于：所述的数据采集卡与所述可编程计算机之间为直接存储器存取数据连接。

4.一种使用权利要求1所述的数控设备运动精度测试装置进行测试的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

a)、输入待测试的数控系统的加工程序和进给轴驱动器的运行参数，建立理论轨迹；

b)、调用硬件驱动程序，初始化数据采集卡，准备采集数控系统和进给轴驱动器的输出脉冲信号或反馈信号；

c)、数控系统运行加工程序，可编程计算机控制数据采集卡输出进给轴驱动器控制指令，采集数控系统和进给轴驱动器输出的脉冲信号或反馈信号，建立实时加工轨迹，保存至存储模块中；

d)、读取存储的实时加工轨迹数据，选择需要分析的实时加工轨迹段，与相同时间的理论轨迹段对比，分析数控系统和进给轴驱动器在所选加工段的速度特性，分析进给轴驱动器的跟随特性、频宽特性、动态响应或线性度特性；

e)、生成测试报告并输出。

5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于：它还设有步骤f：读取存贮的实时加工轨迹数据和理论轨迹数据，生成整个加工过程的速度曲线，并输出显示。

6.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于：步骤d中，选取需要分析的实时加工轨迹段与相同时间的理论轨迹段对比，分析数控系统在所选实时加工段的加速、匀速或减速过程的速度特性。

7.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于：步骤d中，选取需要分析的实时加工轨迹段与相同时间的理论轨迹段对比，分析数控系统在所选实时加工段的加速、匀速或减速过程中直线或圆弧的插补精度、定位精度或C刀补特性。

8.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于：步骤d中，选取需要分析的实时加工轨迹段与相同时间的理论轨迹段对比，分析数控系统在所选实时加工轨迹段内螺纹加工的加速、匀速或减速过程中的速度特性。

9.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于：步骤d中，选取需要分析的实时加工轨迹段与相同时间的理论轨迹段对比，分析数控系统在所选实时加工轨迹段的螺纹加工加速、匀速或减速过程中的插补精度。

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