CN109656196A - 数控系统综合性能测试方法与装置 - Google Patents

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Abstract

一种数控系统综合性能测试方法与装置，适用于对高端数控系统轨迹控制的动静态性能进行测试分析，主要由5轴机械平台、驱动器单元、传感器单元、数据采集单元、5轴数控系统、数据预处理模块、综合性能分析模块和显示单元等组成，传感器包括光栅尺、振动传感器、加速度传感器等；综合性能分析模块可以测试数控系统的单轴阶跃信号响应特性、单轴静态特性、单轴正弦信号响应特性、单轴低速特性与快速运动特性、多轴插补精度、插补段过度特性和微小线段加工特性等诸多综合性能指标。测试时由数控系统产生期望加工轨迹并控制机械平台运动，由传感器采集闭环运动数据，实时获得综合性能分析结果，克服了传统需依赖切削过程完成数控系统性能测试的缺陷。

Description

数控系统综合性能测试方法与装置
技术领域
本发明属于数控技术与运动控制技术领域，涉及到五轴数控系统性能测试仪器的开发，特别涉及一种数控系统综合性能测试方法与装置。
背景技术
目前，高速高精度数控设备已经成为制造业不可或缺的加工设备，也是未来制造技术竞争的制高点。高速数控设备的心脏是数控系统，数控系统直接影响数控机床的精度和静态特性。性能检测和评价是数控系统研究开发过程的必需环节，通过性能检测发现数控系统设计中存在的问题、预测可能会出现的故障，进一步优化了机床的性能。
现阶段对数控系统性能测试主要通过实际切削完成，用加工精度来反映数控系统性能，这种方式以消耗零件材料和刀具为代价的，无疑会增加测试成本，同时测试的时间也较长。国外高档数控设备制造商对数控系统性能参数测试通常是自己研制专门测试仪器并不对外销售；而国内数控系统生产厂商通常采用大量切削实验方法对产品性能进行测试和验证，没有现成的高速数控系统性能测试产品，需要进行非标定制。
因此，迫切需要开发一种具有普适性的数控系统综合性能测试装置，用它定量地测量数控系统的各种动静态性能指标，同时减少高端数控系统的开发周期和成本。
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数控系统综合性能测试方法与装置，通过安装在5轴机械平台上的多种传感器实时地检测闭环运行数据，从而对数控系统综合性能进行分析和评估，避免了传统需依赖实际切削方法来测试数控系统的性能的缺点，大大降低了数控系统的开发成本，本发明还可用来检验和评估新开发的数控系统综合性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种数控系统综合性能测试方法，包括：
步骤1，控制机械平台按期望加工轨迹运动，测量闭环运动参数数据；
步骤2，对所述数据进行预处理；
步骤3，将预处理后的数据进行性能分析，实现多种性能指标的分析测试，所述性能分析包括单轴动态跟踪性能测试、多轴插补性能测试、微小线段加工性能测试和主轴性能测试；
步骤4，将分析测试结果通过显示终端以数据或者图像的形式进行显示。
所述机械平台为5轴机械平台，采用5轴数控系统控制其加工轨迹运动，所述闭环运动参数数据包括振动量、温度、加速度、角速度和各轴位移量。
所述预处理包括去噪、放大、转换处理、存储、最大最小值筛选以及分类。
所述单轴动态跟踪性能测试包括单轴阶跃特性测试、单轴静态特性测试、单轴正弦特性测试、单轴低速特性与快速运动特性测试，通过数控系统ISO代码生成一个阶跃信号或正弦信号，控制伺服电机按照输入指令进行运动，同时激活数据采集，通过光栅尺采集测量轴的实际位移量，计算出响应时间和超调量，最后通过显示终端给出与理论值曲线对比得出的单轴动态跟踪特性。
所述多轴插补性能测试包括多轴插补精度测试和插补段过度特性测试，通过数控系统G代码生成直线指令、圆弧指令和多线段指令，驱动伺服电机进行给进，通过光栅尺采集多轴运动数据并储存，利用采集到的各轴位置和速度数据计算当次测试结果，通用数控系统估值、最大误差值和最大负误差，绘制出动态误差曲线。
所述微小线段加工性能测试通过数控系统G代码生成微小线段加工轨迹，CNC控制器控制机械平台运动，通过光栅尺和速度传感器采集位移和角速度信号，计算速度最大误差和位移最大误差，完成微小线段动态加工误差曲线绘制。
所述主轴性能测试通过数控系统发出主轴单元旋转指令，控制主轴电机高速旋转，由主轴伺服驱动器及振动传感器分别采集包括主轴振动、温度、转速和负载率在内的指标，进行去噪和放大，再分析计算出主轴性能指标。
本发明还提供了一种数控系统综合性能测试装置，包括5轴机械平台17，在5轴机械平台17上布置有用于获取振动量、温度、加速度、角速度和各轴位移量的传感器单元，所述传感器单元接数据采集单元，数据采集单元进行数据的去噪、放大和转换处理，所述数据采集单元接数据预处理模块，数据预处理模块对数据采集单元的输出数据进行存储，并完成最大最小值筛选、分类的预处理，所述数据预处理模块接综合性能分析模块，综合性能分析模块包括单轴阶跃特性测试模块、单轴静态特性测试模块、单轴正弦特性测试模块、单轴低速特性与快速运动特性测试模块、多轴插补精度测试模块、插补段过度特性测试模块和微小线段加工特性测试模块构成，完成多种综合性能指标的测试，所述综合性能分析模块接显示单元，所述显示单元将分析测试结果以数据或者图像的形式进行显示。
所述5轴机械平台17由在3轴立式机械平台上，装上2轴高精度转台组成，搭配5轴伺服驱动系提供16，主轴采用高速电主轴结构，其相应的5轴数控系统由CNC控制器、机床操作面板构成，CNC控制器实现对5轴机械平台17的联动运动控制。
所述传感器单元包括电主轴上的振动传感器1、温度传感器2和Z轴加速度传感器3，X轨道6上的X轴加速度传感器4和X轨道直光栅尺12，Y轨道7上的Y轴加速度传感器5和Y轨道直光栅尺13，A摆动轴18上的摆动轴角速度传感器8、A摆动轴加速度传感器9和A摆动轴圆光栅尺15，C旋转轴19上的旋转轴加速度传感器10、C旋转轴角速度传感器11和C旋转轴圆光栅尺14；所述数据采集单元由工控机、内置AD/DA数据采集卡和5轴编码器数据采集卡构成，包含滤波电路、放大电路和DSP芯片。
与现有技术相比，本发明适用于对高端数控系统轨迹控制的动静态性能进行测试与分析，涉及到数控装备、运动控制与自动测试等技术。综合性能分析模块可以测试数控系统的单轴阶跃信号响应特性、单轴静态特性、单轴正弦信号响应特性、单轴低速特性与快速运动特性、多轴插补精度、插补段过度特性和微小线段加工特性等诸多综合性能指标。在对数控系统性能进行测试时，由数控系统生产期望加工轨迹并控制机械平台运动，然后由传感器采集闭环运动数据，通过实时分析获得综合性能分析结果。这种装置提供了一种数控系统综合性能分析方式，克服了传统方法需依赖切削过程完成性能测试的缺陷。
附图说明
图1是数控系统综合性能测试装置示意图。
图2是数控系统性能测试传感器配置图。
图3运动状态数据采集流程图。
图4是单轴动态跟踪性能测试原理图。
图5是测试装置数据处理流程图。
具体实施方式
为了使本发明技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施对本发明做进一步说明。
本发明数控系统综合性能测试装置主要由5轴机械平台17、驱动器单元、传感器单元、数据采集单元、5轴数控系统、数据预处理模块、综合性能分析模块和显示单元组成。5轴数控系统产生指令轨迹，并通过CNC控制器控制机械平台进行运动；数据采集单元实时采集机械平台上的各个传感器上的数据，进行去噪、放大和A/D变换处理，通过PCI总线接口将采集数据送往预处理单元进行分类和存贮，然后由综合性能分析模块进行各项指标的计算和评估。
5轴机械平台17的底座、立柱、主轴箱体、十字滑台、工作台等基础件采用高强度消失模铸造成型技术，保证内部金相组织稳定，确保基础件的高稳定性。使用了高刚性、高精密电主轴、最高转速可达25000r/min。采用C3级高精密、高强度滚珠丝杠。采用进口高精度锁紧螺母，珠丝杠经预拉伸后，大大增加了传动刚性并消除了运动时产生的热变形影响，确保了定位精度和重复定位精度。XYZ重复定位精度可达0.005mm，进给速度40m/min，C旋转轴精度达3"，A摆动轴精度达5″。
本发明5轴机械平台17由在3轴立式机械平台上，装上2轴高精度转台组成，搭配5轴伺服驱动系提供16，主轴采用高速电主轴结构，其相应的5轴数控系统由CNC控制器、机床操作面板构成，CNC控制器实现对5轴机械平台17的联动运动控制。
图1是本装置的传感器配置图，所配的传感器是数控系统性能检测的主要信息来源，关系到整个数控系统性能测试和分析结果的准确度。5个数控伺服轴在电机上安装了编码器，主要用于伺服轴控制。
为了测量机械轴的实际运动轨迹，在每个轴导轨上加装了光栅尺，精度达±5μm/1m，同时也安装了振动传感器、速度传感器，用来测量机械轴实际的位移量、速度量和振动量。主轴单元上安装了振动传感器，同时从主轴伺服驱动器可获取速度、负荷等主轴运行数据，可通过以太网口送到采集单元。采集系统由AD/DA数据采集卡、5轴编码器数据采集卡等组成，完成振动量、温度、加速度、角速度和各轴位移量的采集和测量。
具体地，整个传感器单元包括电主轴上的振动传感器1、温度传感器2和Z轴加速度传感器3，X轨道6上的X轴加速度传感器4和X轨道直光栅尺12，Y轨道7上的Y轴加速度传感器5和Y轨道直光栅尺13，A摆动轴18上的摆动轴角速度传感器8、A摆动轴加速度传感器9和A摆动轴圆光栅尺15，C旋转轴19上的旋转轴加速度传感器10、C旋转轴角速度传感器11和C旋转轴圆光栅尺14。
这些传感器可完成X/Y/Z轴上的实际位移量、AC轴上的旋转角度、电主轴振动量、电主轴转速和旋转加速度等参数的采集。
图2是运动数据采集示意图，数据采集单元由工控机、内置AD/DA数据采集卡和5轴编码器数据采集卡构成，其中，AD/DA数据采集卡采集振动偏差信号101、温度信号201、Z轴加速度信号301、角速度信号401和C轴加速度信号501，5轴编码器数据采集卡采集Z轴位移信号601、C轴位移信号701、A轴位移信号801、X轴位移信号901和Y轴位移信号1001。
图3是运动数据采集流程图。针对数控系统性能分析需要，数据采集单元使用的采集方式有；自动记录数组模式、数据记录模式和定时扫描的方式。自动记录数据模式设定采集周期最小2微秒，但是采集的数据有数组个数要求，也就是说不能连续采集；数据记录模式方式可以连续采集，并且可以充分利用大数据传输的优点，一次性传输所有所需要采集的数据，采集周期可以由软件自由设定。CNC系统和采集单元之间以太网通信方式，进行数据通信。
图4是单轴动态跟踪性能测试方法原理图。CNC数控系统按照ISO码或G码，产生指令信号(如正弦信号、阶跃信号)，由伺服电机控制机械平台按照加工轨迹进行X/Y/Z/A/C轴的给进运动，同时数据采集卡被激活；通过图1和2中的传感器单元进行数据采集，采集到的实时数据与CNC控制器G代码轨迹数据进行比较，其结果送入综合分析模块，计算出偏差量、超调量等单轴性能指标，其中单轴速度正弦信号响应特性测试方法如下：
通过CNC代码生成具有正弦波速度信号根据该公式计算出不同时刻速度值，并储存。其代码为
#AA
DA*[]
WT100
ACX＝1000000
DCX＝1000000
DM POS[60]
C＝0
T＝0
#LOOP
V1＝T
V2＝3000*@SIN[V1]
V3＝@INT[V2]
POS[C]＝V3
T＝T+6
C＝C+1
JP#LOOP,C<60
MG"22222"
C＝0
#BB
JG0
BGX
#BB1
JGPOS[C]
TVX
C＝C+1
V5＝TIME
MG V5
WT60
JP#BB1,C<60
STX
EN
光栅及加速度传感器以4ms的采集周期，0.001mm/min采集精度，采集不同时刻数据，经检测单元处理成单轴速度数据和加速度数据，然后根据公式Vp＝V实际-V理论和公式Mp＝(Vmax-V设定)/V设定*100％分别计算速度偏差量和超调量，根据计算结果绘制相应曲线图像。
多轴插补性能测试通过CNC控制器G码产生直线信号或者圆弧信号，驱动器产生相应指令来驱动五轴伺服电机按照目标函数进行给进，多轴插补精度检测模块利用光栅尺采集机床各运动轴上的位置和速度信号，并通过PCI接口将其发送至5轴编码器数据采集卡，经过数据数据预处理单元和综合性能分析模块计算插补精度。其中，对于直线插补性能检测，在100mm-300mm测量长度上，按照检测公式：
自动计算定位误差和重复定位误差；对于圆弧信号按照ISO 230-4在360°上检验两线性轴线圆弧插补所产生轨迹按照公式GXY＝Min|R1-R2|、和HXY＝Max|R1-R2|分别计算圆偏差G、半径偏差F和圆滞后偏差H。上述两种不同类型信号指令下定位误差和重复定位误差数值会以表格形式储存，最终在显示终端以二维误差曲线形式输出。
微小线段性能测试通过数控系统G码产生微小线段加工指令，驱动五轴电机按给定指令进行给进，机械平台上的速度传感器和光栅尺采集微小运动线段上的各运动轴的速度和位移信息，并将采集到的数据传输至A/D数据采集卡，在综合性能分析模块中，按照检测计算公式P(Xij)＝P实际-P理论求出不同时刻对应的位置误差，根据计算的结果绘制出两维误差曲线图。
主轴性能测试通过数控系统指令驱动主轴伺服电机旋转，主轴上的各个传感器分别采集主轴振动、温度、转速、功率和负载率等指标，这些数据经过数据采集卡的去噪和放大，最终在显示终端以数据形式进行显示。
图5是本发明测试装置数据处理流程图，其数据处理具体流程如下：启动数据采集软件后进行初始化，初始化成功后，数控系统生成期望信号，与此同时软件采集单元自动激活，当获取到数控系统G代码执行信号时，数据采集单元开始实时采集机械实验平台进行插补运算的通过光栅尺、传感器测量转速、位置、加速度、角速度等数据，测试系统模块对采集数据进行计算分析，以此完成单轴动态性能测试、多轴插补性能测试、微小线段加工性能测试和主轴性能测试，当测试任务完成，测试模块的数据分析结果绘制成曲线，存入存储器中并通过测试软件在统一坐标系内进行比较，反映数控系统综合机床性能。

Claims (10)

1.一种数控系统综合性能测试方法，其特征在于，包括：
步骤1，控制机械平台按期望加工轨迹运动，测量闭环运动参数数据；
步骤2，对所述数据进行预处理；
步骤3，将预处理后的数据进行性能分析，实现多种性能指标的分析测试，所述性能分析包括单轴动态跟踪性能测试、多轴插补性能测试、微小线段加工性能测试和主轴性能测试；
步骤4，将分析测试结果通过显示终端以数据或者图像的形式进行显示。
2.根据权利要求1所述数控系统综合性能测试方法，其特征在于，所述机械平台为5轴机械平台，采用5轴数控系统控制其加工轨迹运动，所述闭环运动参数数据包括振动量、温度、加速度、角速度和各轴位移量。
3.根据权利要求1所述数控系统综合性能测试方法，其特征在于，所述预处理包括去噪、放大、转换处理、存储、最大最小值筛选以及分类。
4.根据权利要求1所述数控系统综合性能测试方法，其特征在于，所述单轴动态跟踪性能测试包括单轴阶跃特性测试、单轴静态特性测试、单轴正弦特性测试、单轴低速特性与快速运动特性测试，通过数控系统ISO代码生成一个阶跃信号或正弦信号，控制伺服电机按照输入指令进行运动，同时激活数据采集，通过光栅尺采集测量轴的实际位移量，计算出响应时间和超调量，最后通过显示终端给出与理论值曲线对比得出的单轴动态跟踪特性。
5.根据权利要求1所述数控系统综合性能测试方法，其特征在于，所述多轴插补性能测试包括多轴插补精度测试和插补段过度特性测试，通过数控系统G代码生成直线指令、圆弧指令和多线段指令，驱动伺服电机进行给进，通过光栅尺采集多轴运动数据并储存，利用采集到的各轴位置和速度数据计算当次测试结果，通用数控系统估值、最大误差值和最大负误差，绘制出动态误差曲线。
6.根据权利要求1所述数控系统综合性能测试方法，其特征在于，所述微小线段加工性能测试通过数控系统G代码生成微小线段加工轨迹，CNC控制器控制机械平台运动，通过光栅尺和速度传感器采集位移和角速度信号，计算速度最大误差和位移最大误差，完成微小线段动态加工误差曲线绘制。
7.根据权利要求1所述数控系统综合性能测试方法，其特征在于，所述主轴性能测试通过数控系统发出主轴单元旋转指令，控制主轴电机高速旋转，由主轴伺服驱动器及振动传感器分别采集包括主轴振动、温度、转速和负载率在内的指标，进行去噪和放大，再分析计算出主轴性能指标。
8.一种数控系统综合性能测试装置，其特征在于，包括5轴机械平台(17)，在5轴机械平台(17)上布置有用于获取振动量、温度、加速度、角速度和各轴位移量的传感器单元，所述传感器单元接数据采集单元，数据采集单元进行数据的去噪、放大和转换处理，所述数据采集单元接数据预处理模块，数据预处理模块对数据采集单元的输出数据进行存储，并完成最大最小值筛选、分类的预处理，所述数据预处理模块接综合性能分析模块，综合性能分析模块包括单轴阶跃特性测试模块、单轴静态特性测试模块、单轴正弦特性测试模块、单轴低速特性与快速运动特性测试模块、多轴插补精度测试模块、插补段过度特性测试模块和微小线段加工特性测试模块构成，完成多种综合性能指标的测试，所述综合性能分析模块接显示单元，所述显示单元将分析测试结果以数据或者图像的形式进行显示。
9.根据权利要求8所述数控系统综合性能测试装置，其特征在于，所述5轴机械平台(17)由在3轴立式机械平台上，装上2轴高精度转台组成，搭配5轴伺服驱动系提供(16)，主轴采用高速电主轴结构，其相应的5轴数控系统由CNC控制器、机床操作面板构成，CNC控制器实现对5轴机械平台(17)的联动运动控制。
10.根据权利要求8所述数控系统综合性能测试装置，其特征在于，所述传感器单元包括电主轴上的振动传感器(1)、温度传感器(2)和Z轴加速度传感器(3)，X轨道(6)上的X轴加速度传感器(4)和X轨道直光栅尺(12)，Y轨道(7)上的Y轴加速度传感器(5)和Y轨道直光栅尺(13)，A摆动轴(18)上的摆动轴角速度传感器(8)、A摆动轴加速度传感器(9)和A摆动轴圆光栅尺(15)，C旋转轴(19)上的旋转轴加速度传感器(10)、旋转轴角速度传感器(11)和旋转轴圆光栅尺(14)；所述数据采集单元由工控机、内置AD/DA数据采集卡和5轴编码器数据采集卡构成，包含滤波电路、放大电路和DSP芯片。
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