專利名稱：一種數控機床伺服進給系統擾動負載仿真裝置及仿真方法
技術領域：
本發明屬于擾動負載仿真技術領域，涉及ー種數控機床伺服進給系統擾動負載仿真裝置及仿真方法。
背景技術：
數控機床由于其自動化程度高、技術先迸，已成為生產中的關鍵設備，尤其是對于加工多品種小批量、結構較復雜、精度要求高的零件，數控機床承擔著無可替代的作用。伺服進給系統是數控機床的關鍵組成部分，是影響數控機床各項性能的主要因素。伺服進給系統的動態響應特性、抗干擾性的好壞直接影響著數控機床對エ件的加工質量，因此研究伺服進給系統的動態響應特性以及抗干擾性，提高數控機床伺服進給系統性能有著十分重 要的意義。諸如摩擦力、切削力、負載變化等擾動是影響數控機床伺服進給系統響應的穩定性和加工精度的主要原因，通過對擾動負載的分析，可以研究數控機床各零部件、機構的エ作狀態，驗證設計和計算結果的正確性，從而確定數控機床加工過程中的負載擾動譜和某些物理現象的機理。然而數控機床加工工程中的擾動負載的監測過于復雜，所需設備昂貴，對實現外變負載擾動與數控機床伺服進給系統的量化評估帶來了困難。但在加工過程中，變負載擾動對數控機床伺服進給動態響應特性的影響是不可忽略的，而且也是目前國內外學者、各大數控機床廠商研究的ー個重要課題，因此，有必要尋找ー種方法來研究擾動負載對數控機床伺服進給系統動態響應特性的影響。
發明內容
本發明解決的問題在于提供一種數控機床伺服進給系統擾動負載仿真裝置及仿真方法，能夠方便的模擬數控機床加工過程中變負載擾動對伺服進給系統動態響應特性的影響。本發明是通過以下技術方案來實現一種數控機床伺服進給系統擾動負載仿真裝置，包括伺服驅動器和伺服電動機，伺服動電機與傳動軸通過聯軸器相連接，傳動軸上設有固定用的左軸承和右軸承，傳動軸在左軸承和右軸承之間還設有飛輪；伺服驅動器還與發送運動指令的運動控制器相連接，伺服電機內設有捕獲位置信息的編碼器，編碼器將獲得的位置信息反饋給運動控制器，伺服電機還將電流信息反饋到監測驅動カ的計算機上。所述的伺服電動機固定設在電機支座上，電機支座固定設在固定板上。所述的左軸承和右軸承固定設在左軸承支座和右軸承支座上，左軸承支座和右軸承支座固定設在固定板上。所述的左軸承還通過左軸承端蓋軸向固定，右軸承還通過右軸承端蓋軸向固定。所述的固定板與機床工作臺相連。
所述的飛輪與傳動軸通過鍵連接，與右軸承相連接的套筒軸向固定飛輪。所述的運動控制器發出的運動指令包括驅動伺服電機實現勻速、正弦、隨機、偽隨機轉動的運動指令。基于所述仿真裝置的仿真方法，包括以下步驟I)根據仿真測試要求，選取勻速、正弦、隨機、偽隨機運動方式中的ー種，設定運動控制器的運動指令；2)根據仿真測試要求選取飛輪；3)伺服驅動器獲取運動指令并驅動伺服電動機轉動，編碼器監測伺服電動機的轉速并反饋給運動控制器；4)飛輪跟隨伺服電動機轉動，產生離心カ；5)離心力作用于伺服進給系統，產生規律變化的擾動負載，從而仿真擾動負載作用伺服進給系統；6)采集進給系統的位置信號，然后分析進給系統動態特性，從而分析擾動負載對伺服進給系統動態特性的影響。所述的運動方式的選擇為不同的轉動方式產生不同的擾動負載，可實現數控加エ過程中多種擾動負載疊加作用伺服進給系統的仿真效果。所述的飛輪選擇為同一質量飛輪可實現不同頻率的不同擾動負載對伺服進行系統動態特性的影響的仿真；選取不同質量的飛輪，在同種運動方式下，可實現相同頻率下不同載荷對伺服進行系統動態特性的影響的仿真。與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果本發明提供的數控機床伺服進給系統擾動負載仿真裝置及仿真方法，利用較簡單的機構實現對數控機床加工過程中擾動負載的仿真，其仿真可方便的進行不同轉動方式的改變從而產生不同的擾動負載，可實現數控加工過程中多種擾動負載疊加作用伺服進給系統的仿真效果；以及通過變化的載荷(飛輪的質量)來模擬仿真數控機床加工過程中的擾動；為研究加工過程中擾動負載對伺服進給系統動態響應特性的影響提供了方便，并且獲得的較明顯的效果，從而解決了無法獲取負載擾動對伺服進給系統動態響應的影響。
圖I為本發明的仿真裝置示意圖；圖2為本發明系統控制示意圖；圖3為本發明仿真方法流程圖。
具體實施例方式下面結合具體的實施例對本發明做進ー步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。如圖I所示，本發、明提出的用于數控機床伺服進給系統擾動負載仿真裝置包括驅動部件、電機支座3、聯軸器4、傳動軸14、套筒9、固定板15、左軸承端蓋5、右軸承端蓋12、左軸承7、右軸承11、左軸承支座6、右軸承支座10和執行部件。驅動部件為伺服驅動器I和伺服電動機2，伺服電動機2固定設在電機支座3上，電機支座3固定設在固定板15上,伺服電機2與聯軸器4相連,聯軸器4與傳動軸14相連，傳動軸14被左軸承7和右軸承11固定設在左軸承支座6和右軸承支座10上，左軸承支座6和右軸承支座10固定設在固定板15上，固定板15與機床工作臺16相連。執行部件為飛輪8，飛輪8與傳動軸14通過鍵13聯接，套筒9軸向固定飛輪8，并與右軸承10連接，左軸承端蓋5軸向固定左軸承7，右軸承端蓋軸12向固定右軸承11。如圖2所示，使用上述仿真裝置的數控機床伺服進給系統負載擾動仿真方法，運動控制器可實現勻速轉動、正弦轉動、隨機轉動以及偽隨機轉動等運動指令，運動控制器將指令傳送給伺服驅動器1，從而驅動伺服電機2實現勻速、正弦、隨機、偽隨機等運動方式。將伺服電機2內置編碼器獲得的位置信息反饋給運動控制器，實現系統的半閉環控制，伺服電機2的電流信息反饋到PC機從而實現對驅動カ的監測。伺服電機2不同的轉動方式產生不同的擾動負載，從而實現數控加工過程中多種 可實現相同頻率下不同載荷對伺服進行系統動態特性的影響的仿真。下面為以伺服電機2勻速轉動時為例，圖3為其流程圖，其仿真方法包括如下步驟I)選取勻速運動方式，設定擾動負載的幅值A，設定運動控制器的運行指令，伺服驅動器I運行指令；2)伺服驅動器I獲取運動指令并驅動伺服電機2轉動，獲得的伺服電機轉速為η ；3)選取的飛輪8的質量為Μ,計算飛輪8的轉動頻率ω，計算方法為β> = 60,|-^—
V Mxr其中A為擾動負載的幅值，M為飛輪8的質量，r為飛輪8質心到轉動圓心的距離；4)飛輪8跟隨伺服電機2轉動，產生離心力，離心力的大小為
Fn =Ma11 =Mxrx(^^)2，其中M為飛輪8的質量，an為向心加速度，r為飛輪8質心到轉
OU
動圓心的距離，η為伺服電機2轉速；5)離心力作用于伺服進給系統，產生的擾動負載F，其跟隨飛輪轉動成正弦變化F=Fnsin(cot),其中Fn為產生的離心力，ω為轉動頻率，t為運行時間；6)仿真擾動負載作用伺服進給系統，分析進給系統的位置信號，研究擾動負載對伺服進給系統動態特性的影響。而對于不同形式的運動方式，其操作過程不變只是將上述相應的公式進行替換。通過以上操作步驟，運行仿真機構產生擾動負載后，伺服進給系統的動態響應特性有著明顯的變化，而且可以很有直觀的分析其特性規律，為研究負載擾動對伺服進給系統的動態響應特性的影響提供了一種簡單、方便、有效的方法。
權利要求
1.一種數控機床伺服進給系統擾動負載仿真裝置，其特征在于，包括伺服驅動器(I)和伺服電動機(2)，伺服電動機(2)與傳動軸(14)通過聯軸器(4)相連接，傳動軸(14)上設有固定用的左軸承(7 )和右軸承(11)，傳動軸(14 )在左軸承(7 )和右軸承(11)，之間還設有飛輪(8)； 伺服驅動器(I)還與發送運動指令的運動控制器相連接，伺服電動機(2)內設有捕獲位置信息的編碼器，編碼器將獲得的位置信息反饋給運動控制器，伺服電動機(2)還將電流信息反饋到監測驅動力的計算機上。
2.如權利要求I所述的數控機床伺服進給系統擾動負載仿真裝置，其特征在于，所述的伺服電動機(2)固定設在電機支座(3)上，電機支座(3)固定設在固定板(15)上。
3.如權利要求I所述的數控機床伺服進給系統擾動負載仿真裝置，其特征在于，所述的左軸承(7 )和右軸承(11)固定設在左軸承支座(6 )和右軸承支座(10 )上，左軸承支座(6 )和右軸承支座(10)固定設在固定板(15)上。
4.如權利要求2或3所述的數控機床伺服進給系統擾動負載仿真裝置，其特征在于，所述的左軸承(7 )還通過左軸承端蓋(5 )軸向固定，右軸承(11)還通過右軸承端蓋(12 )軸向固定。
5.如權利要求4任何一項所述的數控機床伺服進給系統擾動負載仿真裝置，其特征在于，所述的固定板(15)與機床工作臺(16)相連。
6.如權利要求I所述的數控機床伺服進給系統擾動負載仿真裝置，其特征在于，所述的飛輪(8 )與傳動軸(14)通過鍵(13 )連接，與右軸承(11)相連接的套筒(9 )軸向固定飛輪(8)。
7.如權利要求I所述的數控機床伺服進給系統擾動負載仿真裝置，其特征在于，所述的運動控制器發出的運動指令包括驅動伺服電機實現勻速、正弦、隨機、偽隨機轉動的運動指令。
8.基于權利要求I所述仿真裝置的仿真方法，其特征在于，包括以下步驟 1)根據仿真測試要求，選取勻速、正弦、隨機、偽隨機運動方式中的一種，設定運動控制器的運動指令； 2)根據仿真測試要求選取飛輪； 3)伺服驅動器獲取運動指令并驅動伺服電動機轉動，編碼器監測伺服電動機的轉速并反饋給運動控制器； 4)飛輪跟隨伺服電動機轉動，產生離心力； 5)離心力作用于伺服進給系統，產生規律變化的擾動負載，從而仿真擾動負載作用伺服進給系統； 6)采集進給系統的位置信號，然后分析進給系統動態特性，從而分析擾動負載對伺服進給系統動態特性的影響。
9.如權利要求8所述的仿真方法，其特征在于，所述的運動方式的選擇為不同的轉動方式產生不同的擾動負載，可實現數控加工過程中多種擾動負載疊加作用伺服進給系統的仿真效果。
10.如權利要求8所述的仿真方法，其特征在于，所述的飛輪選擇為同一質量飛輪可實現不同頻率的不同擾動負載對伺服進行系統動態特性的影響的仿真；選取不同質量的飛輪 ，在同種運動方式下，可實現相同頻率下不同載荷對伺服進行系統動態特性的影響的仿真。
全文摘要
本發明公開了一種數控機床伺服進給系統擾動負載仿真裝置，包括伺服驅動器和伺服電動機，伺服動電機與傳動軸通過聯軸器相連接，傳動軸上設有固定用的左軸承和右軸承，傳動軸在左軸承和右軸承之間還設有飛輪；伺服驅動器還與發送運動指令的運動控制器相連接，伺服電機內設有捕獲位置信息的編碼器，編碼器將獲得的位置信息反饋給運動控制器，伺服電機還將電流信息反饋到監測驅動力的計算機上。本發明為研究加工過程中擾動負載對伺服進給系統動態響應特性的影響提供了方便，并且獲得的較明顯的效果，從而解決了無法獲取負載擾動對伺服進給系統動態響應的影響。
文檔編號G05B17/02GK102662332SQ201210162280
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月23日 優先權日2012年5月23日
發明者史建強, 姜歌東, 梅雪松, 王恪典, 趙飛 申請人:西安交通大學