專利名稱：用于數控系統性能參數測試的單一負載盤主軸加載方法
技術領域：
本發明涉及數控系統性能參數測試試驗的技術領域，具體是一種用于數控系統性能參數測試的單一負載盤主軸加載方法，該加載方法可以簡單方便地實現數控系統工況下的受載情況。
背景技術：
數控系統和數控機床的可靠性水平，對數控裝備正常運行和使用及數控生產廠商提高產品技術水平和產品競爭力均有著至關重要的作用。數控系統可靠性試驗測試是在可靠性工程理論指導下，按國家相關標準和規范，并結合數控機床應用特點，通過實際試驗測試的方法，為了獲取數控系統運行時，能夠反映數控系統可靠性的平均故障間隔時間MTBF、 故障信息以及運行狀態等數據，在實驗室條件下模擬實際工作的環境，對被測系統施加和實際工況相對應的負載，即通過加負載盤實現數控系統實際工況下的加載。目前，負載模擬裝置一般采用的加載方式大致是電流伺服裝置加載、電磁加載和電機加載等。電液伺服加載主要優點是可實現連續加載，且頻帶較寬，輸出負載力矩大，但存在液壓源體積大、功耗和噪聲大，容易產生多余力矩等缺點。電磁加載設備主要有測功機和磁粉制動器等，主要優點是轉速范圍寬，控制方便，制動力巨大，可實現自動化操作等，缺點是存在低速時加不上載荷的現象，不可連續加載，容易出現磁路飽和磁滯效應，使得力矩與電流并不是嚴格的線形關系。電機加載設備目前主要采用直流電機或力矩電機，直流電機作為加載元件主要存在電樞電流大，功率損失大，以及換向器的問題。采用力矩電機作為加載元件，能夠提高較寬范圍力矩，響應速度較快，但速度范圍有限，不能主動拖動被測元件，操作復雜，負載裝置側的能量主要以熱能的方式耗掉。總之，上述加載方式優缺點并存， 均不是一些理想的加載方法。
發明內容
本發明的目的在于本發明基于簡單方便地前提下，介紹一種用于數控系統性能參數測試的單一負載盤主軸加載方法；通過在電機主軸端加一定質量、尺寸的負載盤，對被測系統施加和實際工況相對應的負載，在實驗室條件下實現電機在實際工作時的受載，即電機在恒轉矩段、恒功率段的受載情況，完成數控系統的可靠性測試。本發明的為了達到上述目的采用的技術方案為一種用于數控系統性能參數測試的單一負載盤主軸加載方法，該方法在數控系統電機主軸端加載一定質量、尺寸的負載盤， 通過在數控系統編寫G指令，進而可以在改變電機加速度和扭矩的基礎上，實現數控系統實際工況下的受載情況，對于某一種尺寸的負載盤，實現電機在恒轉矩段、恒功率段的加載情況。進一步的，所用的負載盤均為勻質圓盤，根據電機轉矩與功率之間的關系式和電機轉矩平衡方程計算出電機電磁轉矩和電機轉速之間的關系；在這里，總的轉動慣量包括兩個部分，一個是電機轉子轉動慣量，一個是負載轉動慣量，對于電機轉子轉動慣量，可以查看電機的參數說明書，而對于負載轉動慣量，考慮實際情況和方便計算，取負載轉動慣量為電機轉子轉動慣量的2 3倍。本發明的原理為本發明首先查看電機主軸參數，設計和電機主軸配套的、一定質量、尺寸的勻質圓盤，根據電機轉矩與功率之間的關系式和電機轉矩平衡方程計算出電機電磁轉矩和電機轉速之間的關系；在這里，總的轉動慣量包括兩個部分，一個是電機轉子轉動慣量，一個是負載轉動慣量，對于電機轉子轉動慣量，可以查看電機的參數說明書，而對于負載轉動慣量， 考慮實際情況和方便計算，取負載轉動慣量為電機轉子轉動慣量的2 3倍。其次通過在數控系統編寫G指令，進而可以在改變電機加速度和扭矩的基礎上，實現數控系統實際工況下的受載情況，對于某一種尺寸的負載盤，我們實現電機在恒轉矩段、恒功率段的加載情況。本發明與現有技術相比的優點在于1、本發明最突出的優點就是能簡單方便地實現數控系統實際工況下的受載情況。 在實際的數控系統加工車間中，當利用數控系統進行加工時，數控系統刀具端受到的力可能是變化的，這樣轉換到電機時受到的扭矩也是變化。本發明就可以簡單方便地模擬這種情況，當把一定質量、尺寸的勻質圓盤加到電機主軸端時，通過G指令代碼控制電機不停的改變速度，這樣電機主軸端受到的扭矩就是變化的，便可模擬數控系統實際工況下的受載情況。2、本發明直接在數控系統電機主軸端加負載盤，更接近于數控系統實際工況下的受載情況，獲得的性能參數更能反映出數控系統的可靠性測試情況。
圖1表示數控系統性能參數測試的流程圖；圖2為某一勻質圓盤的具體尺寸。
具體實施例方式下面結合附圖及本發明的具體實施方式
具體說明本發明。本發明公開一種用于數控系統性能參數測試的單一負載盤主軸加載方法，也可以說是一種實現數控系統工況加載的簡易方法，利用該方法可以方便簡單的實現數控系統在實際運行工況下的載荷情況。在數控系統電機主軸端加載一定質量、尺寸的負載盤，在改變電機的加速度和扭矩基礎上，實現數控系統實際工況下的受載情況；對于某一種尺寸的負載盤，我們實現電機主軸在恒轉矩段和恒功率段的加載情況，進而實現對數控系統的可靠性測試。在數控系統中，一般通過在數控系統中編寫一定的G指令，設定轉速實現主軸轉速改變，在本加載試驗方法中，負載盤是唯一負載，因此必須通過頻繁設定轉速才能實現電機在實際運行過程中的受載情況，在某一穩定轉速下工作是不能實現加載的；在實驗過程中，我們采用連續變速實現電機在實際運行過程中的受載。一般情況下，電機的工作機制為Sl S10，工作制的分類是對電機承受負載情況的說明，它包括啟動、電制動、空載、斷能停轉以及這些階段的持續時間和先后順序。在該加載實驗中，分析電機在Sl工作制中的恒轉矩段、恒功率段的加載情況。在恒轉矩段，考慮設計余度，實際上限轉矩取為額定轉矩。查看數控系統里已經選擇電機的性能參數，包括電機額定功率Pn、額定轉矩Tn、額定轉速nn、轉子轉動慣量Jt等參數，根據電機轉矩平衡方程Te = T0+TL+J · dw/dt (總轉動慣量J為轉子轉動慣量和負載轉動慣量之和，即J = JdJ1，本實驗方式下，Tl = 0，T0 = 0，取J1 = 2Jt)，計算出電機從0加速到額定轉速所需的時間；由于是恒轉矩加載，所以電機主軸工作在恒加速度狀態，在相同時間段內，電機轉速的變化大小是相同的；進而在已知數控系統控制周期的前提下，可以計算出每段加載轉速變化的大小。在恒功率段，電機功率保持不變，考慮設計余度，實際上限功率取為額定功率，而對于負載功率，我們也取為額定功率；由于在恒功率段，電機主軸工作在變加(減)速狀態； 因此，在相同時間段內，電機轉速的變化大小是不同的，為了得到恒功率段電機主軸的加載時間，我們可以綜合電機轉矩和轉速之間的關系式Tn = 9550Pn/nn和電機轉矩平衡方程Te =T0+TL+J · dw/dt，通過積分求得恒功率段電機主軸的加載時間。圖1表示用于數控系統性能參數測試的單一負載盤主軸加載試驗方法的流程圖， 首先我們編寫與測試項目相關的G代碼指令，經PLC到電機驅動器，進而控制電機旋轉；由于電機主軸加有負載盤，所以當電機加速度改變或者轉矩改變時，即可以實現電機在恒功率段或者恒轉矩段的實際受載情況。電機主軸負載變化時，會通過PLC反饋到數控系統，這樣可以利用采集模塊采集數控系統的PLC信號，由于這些信號是電機在實際受載情況下的反饋信號，因此它的正常與否可以反映數控系統的可靠性，進而可以實現數控系統的可靠性測試。如圖2所示本實施例的某一勻質圓盤的具體尺寸。在該實驗中，我們選取圓盤的材料為鋼，根據轉動慣量J1 = 0. 77D4LX10_12kgm2，可以計算得到勻質圓盤的具體尺寸。當我們把一定質量、尺寸的負載盤加載到電機主軸時，需要對數控系統做一些能夠反映數控系統可靠性的測試項目，主要包括主軸加速測試(主軸轉速從0開始在2秒內加速到最大允許速度的90% )、主軸減速測試(主軸從極速的90%開始減速，在2秒內減速至0)、主軸極速測試(主軸在0. 5秒內從極速的90%加速至極速，并在極速狀態下運行 1秒，然后在0. 5秒內從極速狀態減速至極速的90% )、過載測試(讓數控系統在過載狀態下持續運行5秒)等等，通過這些測試項目，能使整個數控系統的受載情況更接近于數控系統在實際加工車間的受載情況，在足夠長時間運行的條件下，完成數控系統的可靠性測試。本發明未詳細闡述的部分屬于本領域公知技術。
權利要求
1.一種用于數控系統性能參數測試的單一負載盤主軸加載方法，其特征在于在數控系統電機主軸端加載一定質量、尺寸的負載盤，通過在數控系統編寫G指令，進而可以在改變電機加速度和扭矩的基礎上，實現數控系統實際工況下的受載情況，對于某一種尺寸的負載盤，實現電機在恒轉矩段、恒功率段的加載情況。
2.根據權利要求1所述的一種用于數控系統性能參數測試的單一負載盤主軸加載方法，其特征在于所用的負載盤均為勻質圓盤，根據電機轉矩與功率之間的關系式和電機轉矩平衡方程計算出電機電磁轉矩和電機轉速之間的關系；在這里，總的轉動慣量包括兩個部分，一個是電機轉子轉動慣量，一個是負載轉動慣量，對于電機轉子轉動慣量，可以查看電機的參數說明書，而對于負載轉動慣量，考慮實際情況和方便計算，取負載轉動慣量為電機轉子轉動慣量的2 3倍。
全文摘要
本發明公開了一種用于數控系統性能參數測試的單一負載盤主軸加載方法，該加載方法的設計原理是基于在數控系統電機主軸加載一定質量、尺寸的勻質圓盤，并在數控系統中編寫G代碼，可以方便簡單地實現數控系統在運行工況下的載荷情況；對于數控系統電機主軸，分別實現電機在恒轉矩段、恒功率段的加載，完成數控系統的性能參數測試。本發明的加載方法可以方便簡單地實現數控系統工況下的受載情況。
文檔編號G05B23/02GK102566563SQ20111042791
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月19日 優先權日2011年12月19日
發明者劉強, 夏繼強, 張傳森, 彭翀, 郇極, 高連生 申請人:北京航空航天大學