CN102658503A - 一种基于内置传感器的数控机床进给系统的模态测试方法 - 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系统的模态测试方法。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，并能实现进给系统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系统的模态测试方法

技术领域

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

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。进给系统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系统的带宽范围，从而根据带宽对机床的控制器进行设计。

目前数控机床进给系统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系统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系统的模态测试方法，降低传统的模态测试成本，实现工况下进给系统的模态测试，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系统的模态测试方法，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)计算出进给系统的轴向模态参数——模态频率和阻尼比；从拟合的频响函数H_F2(ω)计算出进给系统的扭转模态参数——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，并能实现进给系统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系统的模态测试方法，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)计算出进给系统的轴向模态参数——模态频率和阻尼比；从拟合的频响函数H_F2(ω)计算出进给系统的扭转模态参数——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)计算进给系统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)计算出进给系统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系统的模态测试方法，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)计算出进给系统的轴向模态参数——模态频率和阻尼比；从拟合的频响函数H_F2(ω)计算出进给系统的扭转模态参数——模态频率和阻尼比。

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