CN102490087B - 一种数控机床进给驱动机构轴向振动的测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种数控机床进给驱动机构轴向振动的测量装置及其测量方法，测量装置包括高分辩率直线光栅尺、光栅测头、高速计数卡、计算机、振动测量与分析模块。测量方法包括利用数控装置产生高加速度直线运动指令，驱动工作台作直线运动，利用高分辨率直线光栅尺及高速计数卡以高采样频率测取工作台运动位移数据，将所测得的运动位移数据进行两次差分运算，得到运动加速度数据，截取工作台作匀速运动时的加速度信号，对该加速度信号作快速傅立叶变换，即可获得工作台轴向振动频谱。可在数控机床运行时快速和准确测量其进给驱动机构直线运动部件的轴向振动，分析其轴向动力学特性，为数控机床进给驱动机构的设计及振动控制提供科学依据，适用于数控机床进给驱动机构轴向振动的测量。

Description

一种数控机床进给驱动机构轴向振动的测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及数控机床动态性能测量装置及方法，特别是涉及数控机床进给驱动机构轴向振动的测量装置及其测量方法。

背景技术

数控机床的进给驱动机构通常采用滚珠丝杠副作为传动部件，由于其复杂传动关系，不可避免会产生弹性变形和振动，进给驱动机构的轴向振动是影响机床加工精度和工件表面质量的重要因素之一。尤其在高速、高加速度条件下，其轴向振动可能成为严重问题。因此，有必要对机床进给驱动机构轴向振动情况进行监测，获取其振动频谱，为其设计优化和振动控制提供科学依据。

通常，对于机械振动的测量采用加速度传感器。然而，数控机床进给驱动机构的轴向振动往往实在机床进行加工的运动过程中产生，加速度传感器并不适合测量这种大位移运动过程中产生的振动。随着对数控机床高定位精度的要求，越来越多的数控机床进给驱动机构开始安装直线光栅尺以提高其绝对位置精度。但是，直线光栅尺的应用通常仅限于位置精度的测量，而不考虑其运动过程中所产生的振动。

发明内容

本发明的目的是提供一种可在数控机床运行时快速和准确测量其进给驱动机构直线运动部件的轴向振动，分析其轴向动力学特性的数控机床进给驱动机构轴向振动的测量装置及其方法。

首先，本发明提供了一种数控机床进给驱动机构轴向振动的测量装置，包括高分辨率直线光栅尺、光栅测头、高速计数卡、振动测量与分析模块、计算机；高分辨率直线光栅尺安装在机床基座上，光栅测头安装在运动部件上，光栅测头沿高分辨率直线光栅尺运动，用于测量运动部件的直线位移；高速计数卡安装在计算机内，光栅测头通过信号线与高速计数卡相连，用于读取直线光栅尺所测得的位移量；振动测量与分析模块为计算机软件，安装在计算机中，按照一定的采样频率实时获取并保存离散的位移数据，并对该数据进行处理，获得运动部件的轴向振动频谱。

运动部件可以是工作台，也可以是运动刀架。

其次，本发明提供了一种利用上述测量装置的数控机床进给驱动机构轴向振动的测量方法，包括如下步骤：

1）利用数控装置产生高速、高加速度直线运动指令，并将指令信号传送到伺服驱动器；

2）伺服驱动器将信号经整定放大后送到伺服电机驱动滚珠丝杠副运动，滚珠丝杠副将旋转运动转换为运动部件的直线运动；

3）光栅测头配合高分辨率直线光栅尺测量运动部件的位移，并将数据以脉冲形式发送到高速计数卡，

4）高速计数卡以高采样频率测取位移数据，得到一定采样时间间隔的一组离散位移数据，通过振动测量与分析模块读取并保存至计算机；

5）振动测量与分析模块将测得的运动位移数据进行两次差分运算，得到运动加速度数据，截取运动部件作大位移匀速运动时的加速度信号，对该加速度信号作快速傅立叶变换，即可获得运动部件轴向振动频谱；

本发明可在机床运行时快速和准确测量数控机床直线运动部件的轴向振动，分析其轴向动力学特性，为数控机床进给驱动机构的设计及振动控制提供科学依据。

附图说明

图1为本发明测量装置结构示意图。

图2为本发明测量方法流程图。

图3为本发明数控装置的指令速度曲线示意图。

图4为本发明运动部件响应的速度曲线示意图

图中：1.数控装置，2.伺服驱动器，3. 高分辨率直线光栅尺, 5.高速计数卡, 6.计算机, 7. 振动测量与分析模块, 8.伺服电机，9.联轴器，10.丝杠前轴承，11.滚珠丝杠副, 12.左导轨，13.工作台，14. 右导轨，15.丝杠后轴承，16.基座。

具体实施方式

如图1所示，本发明所要测量的数控机床进给驱动机构主要包括数控装置1，伺服驱动器2，伺服电机8，联轴器9，丝杠前轴承10，滚珠丝杠副11，左导轨12，工作台13，右导轨14，丝杠后轴承15，基座16。本发明中的测量装置包括高分辨率直线光栅尺3、光栅测头、高速计数卡5、计算机6、振动测量与分析模块7。高分辩率直线光栅尺3安装在基座上，光栅测头安装在工作台上，光栅测头沿高分辩率直线光栅尺3运动；高速计数卡5安装在计算机6内，光栅测头通过信号线与高速计数卡5相连；振动测量与分析模块7为计算机软件，安装在计算机6中。

如图2所示，使用上述测量装置的数控机床进给驱动机构轴向振动的测量方法的步骤如下：

1）利用数控装置1产生高加速度直线运动指令，并将指令信号传送到伺服驱动器。利用数控装置1产生直线运动指令的速度曲线如图3所示。

2）伺服驱动器2将信号经整定放大后送到伺服电机8驱动滚珠丝杠副11运动，滚珠丝杠副11将旋转运动转换为工作台13的直线运动。

3）光栅测头配合高分辨率直线光栅尺3测量工作台13的位移，并将数据以脉冲形式发送到高速计数卡5。

4）高速计数卡5以高采样频率测取位移数据，得到一定采样时间间隔的一组离散位移数据，通过振动测量与分析模块7读取并保存至计算机6。

5）振动测量与分析模块7将所测得的运动位移数据进行两次差分运算，得到运动加速度数据，截取工作台作大位移匀速运动时的加速度信号，对该加速度信号作快速傅立叶变换，即可获得工作台13轴向振动频谱。利用振动测量与分析模块7将所测得的运动位移数据进行一次差分运算可得到工作台13的运动速度曲线如图4所示。

Claims (2)

1. 一种数控机床进给驱动机构轴向振动的测量装置，其特征在于：包括高分辨率直线光栅尺（3）、光栅测头、高速计数卡（5）、计算机（6）、振动测量与分析模块（7）；高分辨率直线光栅尺（3）安装在基座上，光栅测头安装在运动部件上，光栅测头沿高分辨率直线光栅尺（3）运动；高速计数卡（5）安装在计算机（6）内，光栅测头通过信号线与高速计数卡（5）相连；振动测量与分析模块（7）为计算机软件，安装在计算机（6）中。

2. 一种使用权利要求1所述的测量装置的数控机床进给驱动机构轴向振动的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）利用数控装置（1）产生高加速度直线运动指令，并将指令信号传送到伺服驱动器；

2）伺服驱动器（2）将信号经整定放大后送到伺服电机（8）驱动滚珠丝杠副（11）运动，滚珠丝杠副（11）将旋转运动转换为运动部件的直线运动；

3）光栅测头配合高分辨率直线光栅尺（3）测量运动部件的位移，并将数据以脉冲形式发送到高速计数卡（5）；

4）高速计数卡（5）以高采样频率测取位移数据，得到一定采样时间间隔的一组离散位移数据，并将该数据保存至计算机（6）；

5）振动测量与分析模块（7）将所测得的运动位移数据进行两次差分运算，得到运动加速度数据，截取运动部件作匀速运动时的加速度信号，对该加速度信号作快速傅立叶变换，即可获得运动部件轴向振动频谱。

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