CN102566563B - 用于数控系统性能参数测试的单一负载盘主轴加载方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于数控系统性能参数测试的单一负载盘主轴加载方法，该加载方法的设计原理是基于在数控系统电机主轴加载一定质量、尺寸的匀质圆盘，并在数控系统中编写G代码，可以方便简单地实现数控系统在运行工况下的载荷情况；对于数控系统电机主轴，分别实现电机在恒转矩段、恒功率段的加载，完成数控系统的性能参数测试。本发明的加载方法可以方便简单地实现数控系统工况下的受载情况。

Description

用于数控系统性能参数测试的单一负载盘主轴加载方法
技术领域
本发明涉及数控系统性能参数测试试验的技术领域，具体是一种用于数控系统性能参数测试的单一负载盘主轴加载方法，该加载方法可以简单方便地实现数控系统工况下的受载情况。
背景技术
数控系统和数控机床的可靠性水平，对数控装备正常运行和使用及数控生产厂商提高产品技术水平和产品竞争力均有着至关重要的作用。数控系统可靠性试验测试是在可靠性工程理论指导下，按国家相关标准和规范，并结合数控机床应用特点，通过实际试验测试的方法，为了获取数控系统运行时，能够反映数控系统可靠性的平均故障间隔时间MTBF、故障信息以及运行状态等数据，在实验室条件下模拟实际工作的环境，对被测系统施加和实际工况相对应的负载，即通过加负载盘实现数控系统实际工况下的加载。
目前，负载模拟装置一般采用的加载方式大致是：电流伺服装置加载、电磁加载和电机加载等。电液伺服加载主要优点是可实现连续加载，且频带较宽，输出负载力矩大，但存在液压源体积大、功耗和噪声大，容易产生多余力矩等缺点。电磁加载设备主要有测功机和磁粉制动器等，主要优点是转速范围宽，控制方便，制动力巨大，可实现自动化操作等，缺点是存在低速时加不上载荷的现象，不可连续加载，容易出现磁路饱和磁滞效应，使得力矩与电流并不是严格的线形关系。电机加载设备目前主要采用直流电机或力矩电机，直流电机作为加载元件主要存在电枢电流大，功率损失大，以及换向器的问题。采用力矩电机作为加载元件，能够提高较宽范围力矩，响应速度较快，但速度范围有限，不能主动拖动被测元件，操作复杂，负载装置侧的能量主要以热能的方式耗掉。总之，上述加载方式优缺点并存，均不是一些理想的加载方法。
发明内容
本发明的目的在于：本发明基于简单方便地前提下，介绍一种用于数控系统性能参数测试的单一负载盘主轴加载方法；通过在电机主轴端加一定质量、尺寸的负载盘，对被测系统施加和实际工况相对应的负载，在实验室条件下实现电机在实际工作时的受载，即电机在恒转矩段、恒功率段的受载情况，完成数控系统的可靠性测试。
本发明的为了达到上述目的采用的技术方案为：一种用于数控系统性能参数测试的单一负载盘主轴加载方法，该方法在数控系统电机主轴端加载一定质量、尺寸的负载盘，通过在数控系统编写G指令，进而可以在改变电机加速度和扭矩的基础上，实现数控系统实际工况下的受载情况，对于某一种尺寸的负载盘，实现电机在恒转矩段、恒功率段的加载情况。
进一步的，所用的负载盘均为匀质圆盘，根据电机转矩与功率之间的关系式和电机转矩平衡方程计算出电机电磁转矩和电机转速之间的关系；在这里，总的转动惯量包括两个部分，一个是电机转子转动惯量，一个是负载转动惯量，对于电机转子转动惯量，可以查看电机的参数说明书，而对于负载转动惯量，考虑实际情况和方便计算，取负载转动惯量为电机转子转动惯量的2～3倍。
本发明的原理为：
本发明首先查看电机主轴参数，设计和电机主轴配套的、一定质量、尺寸的匀质圆盘，根据电机转矩与功率之间的关系式和电机转矩平衡方程计算出电机电磁转矩和电机转速之间的关系；在这里，总的转动惯量包括两个部分，一个是电机转子转动惯量，一个是负载转动惯量，对于电机转子转动惯量，可以查看电机的参数说明书，而对于负载转动惯量，考虑实际情况和方便计算，取负载转动惯量为电机转子转动惯量的2～3倍。其次通过在数控系统编写G指令，进而可以在改变电机加速度和扭矩的基础上，实现数控系统实际工况下的受载情况，对于某一种尺寸的负载盘，我们实现电机在恒转矩段、恒功率段的加载情况。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明最突出的优点就是能简单方便地实现数控系统实际工况下的受载情况。在实际的数控系统加工车间中，当利用数控系统进行加工时，数控系统刀具端受到的力可能是变化的，这样转换到电机时受到的扭矩也是变化。本发明就可以简单方便地模拟这种情况，当把一定质量、尺寸的匀质圆盘加到电机主轴端时，通过G指令代码控制电机不停的改变速度，这样电机主轴端受到的扭矩就是变化的，便可模拟数控系统实际工况下的受载情况。
2、本发明直接在数控系统电机主轴端加负载盘，更接近于数控系统实际工况下的受载情况，获得的性能参数更能反映出数控系统的可靠性测试情况。
附图说明
图1表示数控系统性能参数测试的流程图；
图2为某一匀质圆盘的具体尺寸。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的具体实施方式具体说明本发明。
本发明公开一种用于数控系统性能参数测试的单一负载盘主轴加载方法，也可以说是一种实现数控系统工况加载的简易方法，利用该方法可以方便简单的实现数控系统在实际运行工况下的载荷情况。在数控系统电机主轴端加载一定质量、尺寸的负载盘，在改变电机的加速度和扭矩基础上，实现数控系统实际工况下的受载情况；对于某一种尺寸的负载盘，我们实现电机主轴在恒转矩段和恒功率段的加载情况，进而实现对数控系统的可靠性测试。
在数控系统中，一般通过在数控系统中编写一定的G指令，设定转速实现主轴转速改变，在本加载试验方法中，负载盘是唯一负载，因此必须通过频繁设定转速才能实现电机在实际运行过程中的受载情况，在某一稳定转速下工作是不能实现加载的；在实验过程中，我们采用连续变速实现电机在实际运行过程中的受载。
一般情况下，电机的工作机制为S1～S10，工作制的分类是对电机承受负载情况的说明，它包括启动、电制动、空载、断能停转以及这些阶段的持续时间和先后顺序。在该加载实验中，分析电机在S1工作制中的恒转矩段、恒功率段的加载情况。
在恒转矩段，考虑设计余度，实际上限转矩取为额定转矩。查看数控系统里已经选择电机的性能参数，包括电机额定功率Pn、额定转矩Tn、额定转速nn、转子转动惯量Jt等参数，根据电机转矩平衡方程TE＝T0+TL+J·dw/dt(总转动惯量J为转子转动惯量和负载转动惯量之和，即J＝Jt+Jl，本实验方式下，TL＝0，T0＝0，取Jl＝2Jt)，计算出电机从0加速到额定转速所需的时间；由于是恒转矩加载，所以电机主轴工作在恒加速度状态，在相同时间段内，电机转速的变化大小是相同的；进而在已知数控系统控制周期的前提下，可以计算出每段加载转速变化的大小。
在恒功率段，电机功率保持不变，考虑设计余度，实际上限功率取为额定功率，而对于负载功率，我们也取为额定功率；由于在恒功率段，电机主轴工作在变加(减)速状态；因此，在相同时间段内，电机转速的变化大小是不同的，为了得到恒功率段电机主轴的加载时间，我们可以综合电机转矩和转速之间的关系式Tn＝9550Pn/nn和电机转矩平衡方程TE＝T0+TL+J·dw/dt，通过积分求得恒功率段电机主轴的加载时间。
图1表示用于数控系统性能参数测试的单一负载盘主轴加载试验方法的流程图，首先我们编写与测试项目相关的G代码指令，经PLC到电机驱动器，进而控制电机旋转；由于电机主轴加有负载盘，所以当电机加速度改变或者转矩改变时，即可以实现电机在恒功率段或者恒转矩段的实际受载情况。电机主轴负载变化时，会通过PLC反馈到数控系统，这样可以利用采集模块采集数控系统的PLC信号，由于这些信号是电机在实际受载情况下的反馈信号，因此它的正常与否可以反映数控系统的可靠性，进而可以实现数控系统的可靠性测试。如图2所示本实施例的某一匀质圆盘的具体尺寸。在该实验中，我们选取圆盘的材料为钢，根据转动惯量Jl＝0.77D4L×10-12kgm2，可以计算得到匀质圆盘的具体尺寸。
当我们把一定质量、尺寸的负载盘加载到电机主轴时，需要对数控系统做一些能够反映数控系统可靠性的测试项目，主要包括主轴加速测试(主轴转速从0开始在2秒内加速到最大允许速度的90％)、主轴减速测试(主轴从极速的90％开始减速，在2秒内减速至0)、主轴极速测试(主轴在0.5秒内从极速的90％加速至极速，并在极速状态下运行1秒，然后在0.5秒内从极速状态减速至极速的90％)、过载测试(让数控系统在过载状态下持续运行5秒)等等，通过这些测试项目，能使整个数控系统的受载情况更接近于数控系统在实际加工车间的受载情况，在足够长时间运行的条件下，完成数控系统的可靠性测试。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (1)

1.一种用于数控系统性能参数测试的单一负载盘主轴加载方法，其特征在于：在数控系统电机主轴端加载一定质量、尺寸的负载盘，通过在数控系统编写G指令，进而在改变电机加速度和扭矩的基础上，实现数控系统实际工况下的受载情况，对于某一种尺寸的负载盘，实现电机在恒转矩段、恒功率段的加载情况；
所用的负载盘均为匀质圆盘，根据电机转矩与功率之间的关系式和电机转矩平衡方程计算出电机电磁转矩和电机转速之间的关系；在这里，总的转动惯量包括两个部分，一个是电机转子转动惯量，一个是负载转动惯量，对于电机转子转动惯量，查看电机的参数说明书，而对于负载转动惯量，考虑实际情况和方便计算，取负载转动惯量为电机转子转动惯量的2～3倍；
在该加载实验中，分析电机在S1工作制中的恒转矩段、恒功率段的加载情况；
在恒转矩段，考虑设计余度，实际上限转矩取为额定转矩，查看数控系统里已经选择电机的性能参数，包括电机额定功率Pn、额定转矩Tn、额定转速nn、转子转动惯量Jt参数，根据电机转矩平衡方程TE=T0+TL+J·dw/dt，总转动惯量J为转子转动惯量和负载转动惯量之和，即J=Jt+Jl，本实验方式下，TL=0，T0=0，取Jl=2Jt，计算出电机从0加速到额定转速所需的时间；由于是恒转矩加载，所以电机主轴工作在恒加速度状态，在相同时间段内，电机转速的变化大小是相同的；进而在已知数控系统控制周期的前提下，可以计算出每段加载转速变化的大小；
在恒功率段，电机功率保持不变，考虑设计余度，实际上限功率取为额定功率，而对于负载功率，也取为额定功率；由于在恒功率段，电机主轴工作在变加速或减速状态；因此，在相同时间段内，电机转速的变化大小是不同的，为了得到恒功率段电机主轴的加载时间，综合电机转矩和转速之间的关系式Tn=9550Pn/nn和电机转矩平衡方程TE=T0+TL+J·dw/dt，通过积分求得恒功率段电机主轴的加载时间。
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