CN102662332A - 一种数控机床伺服进给系统扰动负载仿真装置及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床伺服进给系统扰动负载仿真装置，包括伺服驱动器和伺服电动机，伺服动电机与传动轴通过联轴器相连接，传动轴上设有固定用的左轴承和右轴承，传动轴在左轴承和右轴承之间还设有飞轮；伺服驱动器还与发送运动指令的运动控制器相连接，伺服电机内设有捕获位置信息的编码器，编码器将获得的位置信息反馈给运动控制器，伺服电机还将电流信息反馈到监测驱动力的计算机上。本发明为研究加工过程中扰动负载对伺服进给系统动态响应特性的影响提供了方便，并且获得的较明显的效果，从而解决了无法获取负载扰动对伺服进给系统动态响应的影响。

Description

一种数控机床伺服进给系统扰动负载仿真装置及仿真方法

技术领域

本发明属于扰动负载仿真技术领域，涉及一种数控机床伺服进给系统扰动负载仿真装置及仿真方法。

背景技术

数控机床由于其自动化程度高、技术先进，已成为生产中的关键设备，尤其是对于加工多品种小批量、结构较复杂、精度要求高的零件，数控机床承担着无可替代的作用。伺服进给系统是数控机床的关键组成部分，是影响数控机床各项性能的主要因素。伺服进给系统的动态响应特性、抗干扰性的好坏直接影响着数控机床对工件的加工质量，因此研究伺服进给系统的动态响应特性以及抗干扰性，提高数控机床伺服进给系统性能有着十分重要的意义。

诸如摩擦力、切削力、负载变化等扰动是影响数控机床伺服进给系统响应的稳定性和加工精度的主要原因，通过对扰动负载的分析，可以研究数控机床各零部件、机构的工作状态，验证设计和计算结果的正确性，从而确定数控机床加工过程中的负载扰动谱和某些物理现象的机理。然而数控机床加工工程中的扰动负载的监测过于复杂，所需设备昂贵，对实现外变负载扰动与数控机床伺服进给系统的量化评估带来了困难。但在加工过程中，变负载扰动对数控机床伺服进给动态响应特性的影响是不可忽略的，而且也是目前国内外学者、各大数控机床厂商研究的一个重要课题，因此，有必要寻找一种方法来研究扰动负载对数控机床伺服进给系统动态响应特性的影响。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种数控机床伺服进给系统扰动负载仿真装置及仿真方法，能够方便的模拟数控机床加工过程中变负载扰动对伺服进给系统动态响应特性的影响。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种数控机床伺服进给系统扰动负载仿真装置，包括伺服驱动器和伺服电动机，伺服动电机与传动轴通过联轴器相连接，传动轴上设有固定用的左轴承和右轴承，传动轴在左轴承和右轴承之间还设有飞轮；

伺服驱动器还与发送运动指令的运动控制器相连接，伺服电机内设有捕获位置信息的编码器，编码器将获得的位置信息反馈给运动控制器，伺服电机还将电流信息反馈到监测驱动力的计算机上。

所述的伺服电动机固定设在电机支座上，电机支座固定设在固定板上。

所述的左轴承和右轴承固定设在左轴承支座和右轴承支座上，左轴承支座和右轴承支座固定设在固定板上。

所述的左轴承还通过左轴承端盖轴向固定，右轴承还通过右轴承端盖轴向固定。

所述的固定板与机床工作台相连。

所述的飞轮与传动轴通过键连接，与右轴承相连接的套筒轴向固定飞轮。

所述的运动控制器发出的运动指令包括驱动伺服电机实现匀速、正弦、随机、伪随机转动的运动指令。

基于所述仿真装置的仿真方法，包括以下步骤：

1）根据仿真测试要求，选取匀速、正弦、随机、伪随机运动方式中的一种，设定运动控制器的运动指令；

2）根据仿真测试要求选取飞轮；

3）伺服驱动器获取运动指令并驱动伺服电动机转动，编码器监测伺服电动机的转速并反馈给运动控制器；

4）飞轮跟随伺服电动机转动，产生离心力；

5）离心力作用于伺服进给系统，产生规律变化的扰动负载，从而仿真扰动负载作用伺服进给系统；

6）采集进给系统的位置信号，然后分析进给系统动态特性，从而分析扰动负载对伺服进给系统动态特性的影响。

所述的运动方式的选择为：不同的转动方式产生不同的扰动负载，可实现数控加工过程中多种扰动负载叠加作用伺服进给系统的仿真效果。

所述的飞轮选择为：同一质量飞轮可实现不同频率的不同扰动负载对伺服进行系统动态特性的影响的仿真；选取不同质量的飞轮，在同种运动方式下，可实现相同频率下不同载荷对伺服进行系统动态特性的影响的仿真。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的数控机床伺服进给系统扰动负载仿真装置及仿真方法，利用较简单的机构实现对数控机床加工过程中扰动负载的仿真，其仿真可方便的进行不同转动方式的改变从而产生不同的扰动负载，可实现数控加工过程中多种扰动负载叠加作用伺服进给系统的仿真效果；以及通过变化的载荷（飞轮的质量）来模拟仿真数控机床加工过程中的扰动；为研究加工过程中扰动负载对伺服进给系统动态响应特性的影响提供了方便，并且获得的较明显的效果，从而解决了无法获取负载扰动对伺服进给系统动态响应的影响。

附图说明

图1为本发明的仿真装置示意图；

图2为本发明系统控制示意图；

图3为本发明仿真方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明提出的用于数控机床伺服进给系统扰动负载仿真装置包括驱动部件、电机支座3、联轴器4、传动轴14、套筒9、固定板15、左轴承端盖5、右轴承端盖12、左轴承7、右轴承11、左轴承支座6、右轴承支座10和执行部件。

驱动部件为伺服驱动器1和伺服电动机2，伺服电动机2固定设在电机支座3上，电机支座3固定设在固定板15上，伺服电机2与联轴器4相连，联轴器4与传动轴14相连，传动轴14被左轴承7和右轴承11固定设在左轴承支座6和右轴承支座10上，左轴承支座6和右轴承支座10固定设在固定板15上，固定板15与机床工作台16相连。

执行部件为飞轮8，飞轮8与传动轴14通过键13联接，套筒9轴向固定飞轮8，并与右轴承10连接，左轴承端盖5轴向固定左轴承7，右轴承端盖轴12向固定右轴承11。

如图2所示，使用上述仿真装置的数控机床伺服进给系统负载扰动仿真方法，运动控制器可实现匀速转动、正弦转动、随机转动以及伪随机转动等运动指令，运动控制器将指令传送给伺服驱动器1，从而驱动伺服电机2实现匀速、正弦、随机、伪随机等运动方式。将伺服电机2内置编码器获得的位置信息反馈给运动控制器，实现系统的半闭环控制，伺服电机2的电流信息反馈到PC机从而实现对驱动力的监测。

伺服电机2不同的转动方式产生不同的扰动负载，从而实现数控加工过程中多种扰动负载叠加作用伺服进给系统的仿真效果。选取不同质量的飞轮8，在同种运动方式下，可实现相同频率下不同载荷对伺服进行系统动态特性的影响的仿真。

下面为以伺服电机2匀速转动时为例，图3为其流程图，其仿真方法包括如下步骤：

1）选取匀速运动方式，设定扰动负载的幅值A，设定运动控制器的运行指令，伺服驱动器1运行指令；

2）伺服驱动器1获取运动指令并驱动伺服电机2转动，获得的伺服电机转速为n；

3）选取的飞轮8的质量为M，计算飞轮8的转动频率ω，计算方法为：

$\mathrm{\ω}=60\sqrt{\frac{A}{M\×r}}$

其中A为扰动负载的幅值，M为飞轮8的质量，r为飞轮8质心到转动圆心的距离；

4）飞轮8跟随伺服电机2转动，产生离心力，离心力的大小为：

其中M为飞轮8的质量，a_n为向心加速度，r为飞轮8质心到转动圆心的距离，n为伺服电机2转速；

5）离心力作用于伺服进给系统，产生的扰动负载F，其跟随飞轮转动成正弦变化：F=F_nsin(ωt)，其中F_n为产生的离心力，ω为转动频率，t为运行时间；

6）仿真扰动负载作用伺服进给系统，分析进给系统的位置信号，研究扰动负载对伺服进给系统动态特性的影响。

而对于不同形式的运动方式，其操作过程不变只是将上述相应的公式进行替换。通过以上操作步骤，运行仿真机构产生扰动负载后，伺服进给系统的动态响应特性有着明显的变化，而且可以很有直观的分析其特性规律，为研究负载扰动对伺服进给系统的动态响应特性的影响提供了一种简单、方便、有效的方法。

Claims (10)

1.一种数控机床伺服进给系统扰动负载仿真装置，其特征在于，包括伺服驱动器（1）和伺服电动机（2），伺服电动机（2）与传动轴（14）通过联轴器（4）相连接，传动轴（14）上设有固定用的左轴承（7）和右轴承（11），传动轴（14）在左轴承（7）和右轴承（11），之间还设有飞轮（8）；

伺服驱动器（1）还与发送运动指令的运动控制器相连接，伺服电动机（2）内设有捕获位置信息的编码器，编码器将获得的位置信息反馈给运动控制器，伺服电动机（2）还将电流信息反馈到监测驱动力的计算机上。

2.如权利要求1所述的数控机床伺服进给系统扰动负载仿真装置，其特征在于，所述的伺服电动机（2）固定设在电机支座（3）上，电机支座（3）固定设在固定板（15）上。

3.如权利要求1所述的数控机床伺服进给系统扰动负载仿真装置，其特征在于，所述的左轴承（7）和右轴承（11）固定设在左轴承支座（6）和右轴承支座（10）上，左轴承支座（6）和右轴承支座（10）固定设在固定板（15）上。

4.如权利要求2或3所述的数控机床伺服进给系统扰动负载仿真装置，其特征在于，所述的左轴承（7）还通过左轴承端盖（5）轴向固定，右轴承（11）还通过右轴承端盖（12）轴向固定。

5.如权利要求4任何一项所述的数控机床伺服进给系统扰动负载仿真装置，其特征在于，所述的固定板（15）与机床工作台（16）相连。

6.如权利要求1所述的数控机床伺服进给系统扰动负载仿真装置，其特征在于，所述的飞轮（8）与传动轴（14）通过键（13）连接，与右轴承（11）相连接的套筒（9）轴向固定飞轮（8）。

7.如权利要求1所述的数控机床伺服进给系统扰动负载仿真装置，其特征在于，所述的运动控制器发出的运动指令包括驱动伺服电机实现匀速、正弦、随机、伪随机转动的运动指令。

8.基于权利要求1所述仿真装置的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）根据仿真测试要求，选取匀速、正弦、随机、伪随机运动方式中的一种，设定运动控制器的运动指令；

2）根据仿真测试要求选取飞轮；

3）伺服驱动器获取运动指令并驱动伺服电动机转动，编码器监测伺服电动机的转速并反馈给运动控制器；

4）飞轮跟随伺服电动机转动，产生离心力；

5）离心力作用于伺服进给系统，产生规律变化的扰动负载，从而仿真扰动负载作用伺服进给系统；

6）采集进给系统的位置信号，然后分析进给系统动态特性，从而分析扰动负载对伺服进给系统动态特性的影响。

9.如权利要求8所述的仿真方法，其特征在于，所述的运动方式的选择为：不同的转动方式产生不同的扰动负载，可实现数控加工过程中多种扰动负载叠加作用伺服进给系统的仿真效果。

10.如权利要求8所述的仿真方法，其特征在于，所述的飞轮选择为：同一质量飞轮可实现不同频率的不同扰动负载对伺服进行系统动态特性的影响的仿真；选取不同质量的飞轮，在同种运动方式下，可实现相同频率下不同载荷对伺服进行系统动态特性的影响的仿真。

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