專利名稱：一種基于內置傳感器的數控機床進給系統的模態測試方法
技術領域：
本發明涉及一種數控機床進給系統模態測試方法，具體設計基于內置傳感器的數控機床進給系統的模態測試方法。
背景技術：
目前數控機床沿著高速高精度方向發展，機床的動態特性是影響加工精度的重要 因素。進給系統作為數控機床的重要組成部分，直接影響エ件的加工質量和加工效率。而模態分析是研究機床動態特性的重要方法；通過模態分析，可以發現機床結構的薄弱環節，從而改進機床結構，改善機床的動態特性。模態分析也可以精確地計算出機床控制系統的帶寬范圍，從而根據帶寬對機床的控制器進行設計。目前數控機床進給系統的模態測試方法都是采用傳統的測試方法。傳統的模態測試技術主要使用激振設備和加速度傳感器。而像激振器這種激振設備價格十分昂貴。國產的小型激振器價格在五萬元以上，最簡單易用的激振設備——力錘由于內部具有精密的力傳感器價格也不菲，達數萬元。對于激振器這種大型激勵設備，安裝也很困難，尤其是現有的高檔數控機床上。普通加速度傳感器的價格雖然不高，但是像角度編碼器這種高精密的傳感器價格十分昂貴，并且安裝維護陳本較高。這些都造成了在數控機床上進行模態測試的成本大大增加。另外，傳統的數控機床的模態測試都是在非エ況下進行。國外ー些研究學者已經證明，與非エ況下相比，エ況下機床運動部件的潤滑狀況不同，潤滑油的粘度、溫度產生變化，引起絲杠、導軌、軸承等部件阻尼變化，從而導致數控機床進給系統在エ況下的模態與非エ況下的模態不同。因此，傳統的模態測試方法所得到的模態參數結果與真實結果存在差異。
發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種基于內置傳感器的數控機床進給系統的模態測試方法，降低傳統的模態測試成本，實現エ況下進給系統的模態測試，提高模態測試結果的精度。為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是I、一種基于內置傳感器的數控機床進給系統的模態測試方法，其特征在于，包括以下步驟I)根據測試對象的數控程序所能實現的信號類型，從方波信號、正弦波信號、掃頻正弦信號、隨機信號、偽隨機信號中合理地選取ー種信號作為激勵信號，確定激勵信號的基本參數，并根據激勵信號編寫數控程序G代碼，使機床工作臺的X軸按照所選取激勵信號的軌跡運動；2)在機床工作臺運動的同時，用多通道信號采集設備同步采集X軸伺服電機的電流信號、X軸伺服電機的編碼器信號和X軸的光柵尺信號；3)對采集到的電機電流信號乘以電機的扭矩常數，得到電機的扭矩信號；對采集到的光柵尺信號和編碼器信號分別進行二次差分，計算出工作臺運動的加速度和絲杠轉動的角加速度；4)把電機的扭矩信號作為輸入信號，把計算出的工作臺加速度和絲杠角加速度信號分別作為輸出信號，計算電機扭矩和工作臺加速度的頻響函數Hn (ω)，并計算電機扭矩和絲杠角加速度的頻響函數Ht2 (ω)；5)對計算出的頻響函數Ητ1(ω)和ΗΤ2(ω)分別采用模態參數的頻域辨識方法進行擬合，得到擬合的頻響函數Hfi (ω)和HF2(co);6)從擬合的頻響函數Hfi (ω)計算出進給系統的軸向模態參數——模態頻率和阻尼比；從擬合的頻響函數Hf2(CO)計算出進給系統的扭轉模態參數——模態頻率和阻尼比。本發明的模態測試方法與傳統的模態測試方法相比，該方法節約了測試成本，并 能實現進給系統模態參數的在線測試。本發明的模態測試方法不需要使用昂貴的激勵設備和加速度傳感器，并且在非エ況下進行測試，精度較高。
圖I為本發明的流程圖。圖2為機床工作臺X軸的光柵尺信號。圖3為機床X軸伺服電機的編碼器信號。圖4為機床X軸伺服電機的電流信號。圖5為伺服電機與工作臺加速度的實測頻響函數。圖6為伺服電機與絲杠角加速度的實測頻響函數。圖7為伺服電機與工作臺加速度的擬合頻響函數。圖8為伺服電機與絲杠角加速度的擬合頻響函數。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行詳細說明。參照圖1，一種基于內置傳感器的數控機床進給系統的模態測試方法，包括以下步驟I)根據測試對象的數控程序所能實現的信號類型，從方波信號、正弦波信號、掃頻正弦信號、隨機信號、偽隨機信號中合理地選取ー種信號作為激勵信號，確定激勵信號的基本參數，并根據激勵信號編寫數控程序G代碼，使機床工作臺的X軸按照所選取激勵信號的軌跡運動；2)在機床工作臺運動的同吋，用多通道信號采集設備同時采集X軸伺服電機的電流、X軸伺服電機的編碼器和X軸的光柵尺信號；3)對采集到的電機電流信號乘以電機的扭矩常數，得到電機的扭矩信號；對采集到的光柵尺和編碼器信號分別進行二次差分，計算出工作臺運動的加速度和絲杠轉動的角加速度；4)把電機的扭矩信號作為輸入信號，把計算出的工作臺加速度和絲杠角加速度信號分別作為輸出信號，計算電機扭矩和工作臺加速度的頻響函數Hn (ω)，并計算電機扭矩和絲杠角加速度的頻響函數Ht2 (ω)；
5)對計算出的頻響函數Hn ( ω )和Ht2 ( ω )分別進行采用模態參數的頻域辨識方法進行擬合，得到擬合的頻響函數Hfi (ω)和HF2(co);6)從擬合的頻響函數Hfi ( ω )計算出進給系統的軸向模態參數——模態頻率和阻尼比；從擬合的頻響函數Hf2(CO)計算出進給系統的扭轉模態參數——模態頻率和阻尼比。下面結合實施例對本發明進行詳細說明。在一個開放式數控平臺上進行模態測試實驗，選取正弦激勵信號對機床工作臺進行激勵，圖2為測試到的機床工作臺的光柵尺信號，采樣頻率為5000Hz，采樣點數為1024。首先，在機床エ按照預定的軌跡運動時，同時測試機床工作臺的光柵尺信號(如圖2)，伺服電機的編碼器信號(如圖3)和伺服電機的電流信號(如圖4)。對光柵尺信號和編碼器信號分別作二次差分，得到工作臺的加速度和絲杠的角加速度。
其次，把電機的扭矩信號作為輸入信號，把計算出的工作臺加速度和絲杠角加速度信號分別作為輸出信號，計算電機扭矩和工作臺加速度的頻響函數Hn (ω)，如圖5所示，并計算電機扭矩和絲杠角加速度的頻響函數Ht2 (ω )，如圖6所示。對計算出的頻響函數Hn (ω)進行采用模態參數的頻域辨識方法進行擬合，得到擬合的頻響函數Hfi (ω)，如圖7所示。對計算出的頻響函數ΗΤ2(ω)進行采用模態參數的頻域辨識方法進行擬合，得到擬合的頻響函數Hf2(CO)，如圖8所示。最后，從擬合的頻響函數Hfi (ω)計算進給系統的第一階軸向模態頻率346. 4Hz,阻尼比6. 31%，第二階軸向模態頻率497. 3Hz，阻尼比2. 33%。從擬合的頻響函數Hf2 (ω)計算出進給系統的第一階扭轉模態頻率1039Hz，阻尼比O. 40 %，第二階扭轉模態頻率1928Hz，阻尼比 O. 41%。
權利要求
1.一種基于內置傳感器的數控機床進給系統的模態測試方法，其特征在于，包括以下步驟 1)根據測試對象的數控程序所能實現的信號類型，從方波信號、正弦波信號、掃頻正弦信號、隨機信號、偽隨機信號中合理地選取ー種信號作為激勵信號，確定激勵信號的基本參數，并根據激勵信號編寫數控程序G代碼，使機床工作臺的X軸按照所選取激勵信號的軌跡運動； 2)在機床工作臺運動的同吋，用多通道信號采集設備同時采集X軸伺服電機的電流信號、X軸伺服電機的編碼器信號和X軸的光柵尺信號； 3)對采集到的電機電流信號乘以電機的扭矩常數，得到電機的扭矩信號；對采集到的光柵尺信號和編碼器信號分別進行二次差分，計算出工作臺運動的加速度和絲杠轉動的角加速度； 4)把電機的扭矩信號作為輸入信號，把計算出的工作臺加速度和絲杠角加速度信號分別作為輸出信號，計算電機扭矩和工作臺加速度的頻響函數Hn (ω)，并計算電機扭矩和絲杠角加速度的頻響函數Ht2 (ω)； 5)對計算出的頻響函數Hn(ω)和ΗΤ2(ω)分別進行采用模態參數的頻域辨識方法進行擬合，得到擬合的頻響函數Hfi (ω)和HF2(co); 6)從擬合的頻響函數Ηη(ω)計算出進給系統的軸向模態參數——模態頻率和阻尼比；從擬合的頻響函數Hf2(Co)計算出進給系統的扭轉模態參數——模態頻率和阻尼比。
全文摘要
本發明公開了一種基于內置傳感器的數控機床進給系統的模態測試方法。該方法首先使數控機床工作臺按照給定的激勵信號運動，同時用信號采集設備同步采集伺服電機電流、電機編碼器、光柵尺信號；再對電機電流信號乘以電機的扭矩常數，得到電機的扭矩；并對編碼器和光柵尺信號做二次差分，得到工作臺的加速度信號和絲杠的角加速度信號；然后計算電機的扭矩和工作臺加速度的頻響函數，電機的扭矩和絲杠角加速度的頻響函數；再對兩個頻響函數進行擬合，求出擬合的頻響函數；最后計算出軸向模態參數和扭轉模態參數。與傳統的模態測試方法相比，提出的新方法節約了測試成本，并能實現進給系統模態參數的在線測試。
文檔編號B23Q17/00GK102658503SQ20121002529
公開日2012年9月12日 申請日期2012年2月6日 優先權日2012年2月6日
發明者姜歌東, 梅雪松, 趙飛, 邢銘宗 申請人:西安交通大學