專(zhuān)利名稱(chēng)：一種數(shù)控機(jī)床扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)的測(cè)量裝置及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)性能測(cè)量裝置，特別是涉及數(shù)控機(jī)床扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)的測(cè)
量裝置。
背景技術(shù)：
高速加工技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)中最重要的共性技術(shù)之一，它代表了切削加工的發(fā)展方向，并逐漸成為切削加工的主流技術(shù)。高速加工技術(shù)首先要有高速主軸，而高速主軸必須裝在結(jié)構(gòu)能適應(yīng)高速切削的機(jī)床上，才能充分發(fā)揮高速切削的眾多優(yōu)點(diǎn)，這就要求機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在有限的行程內(nèi)，必須具備很高的加速度，來(lái)實(shí)現(xiàn)高的進(jìn)給速度。目前數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多采用滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)是通過(guò)絲杠- >滾珠- >螺母之間的復(fù)雜傳動(dòng)關(guān)系，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成工作臺(tái)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。在這一運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，細(xì)長(zhǎng)的絲杠會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、軸向伸縮與橫向彎曲變形和振動(dòng)，而且在滾珠與滾道之間、滾珠與滾珠之間還會(huì)產(chǎn)生擠壓和碰撞等力學(xué)現(xiàn)象。在高速、高加速度(尤其是大位移、重載荷)等非常規(guī)工況下，它們所導(dǎo)致的動(dòng)力學(xué)行為將對(duì)機(jī)床的加工質(zhì)量和效率產(chǎn)生明顯影響，進(jìn)而對(duì)常規(guī)的設(shè)計(jì)和控制理論及方法提出了新的挑戰(zhàn)。為了提高高速滾珠絲杠副進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)床加工精度的控制能力，目前的研究一方面是從機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度重視機(jī)械傳動(dòng)部分的動(dòng)力學(xué)建模與分析，以保證機(jī)械結(jié)構(gòu)本身具備高速、高加速度的能力；另一方面是在伺服控制乃至于數(shù)控指令中也越來(lái)越多地考慮與結(jié)構(gòu)變形有關(guān)的共振或微觀(guān)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)行為，以期實(shí)現(xiàn)高的伺服控制帶寬和符合機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)指令來(lái)滿(mǎn)足高速、高加速度要求。首先，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性決定了其運(yùn)動(dòng)部件會(huì)產(chǎn)生變形和振動(dòng)，這種變形和振動(dòng)在大負(fù)荷、高加速度條件下尤其嚴(yán)重，這就要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有很高的剛性，并且具有合理的結(jié)構(gòu)以避免或減少驅(qū)動(dòng)力引起的變形和振動(dòng)。例如，為了滿(mǎn)足高速的要求，一般選用大導(dǎo)程滾珠絲杠，在此情形下，會(huì)引起進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)荷增大、剛性不足以及振動(dòng)加劇等問(wèn)題。其次，高速數(shù)控機(jī)床要實(shí)現(xiàn)高的進(jìn)給速度和加速度，并在高速下仍有高的定位精度，需要其進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)具有高響應(yīng)、高精度和高穩(wěn)定性。然而，傳動(dòng)部件的變形和振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，限制其控制帶寬。 對(duì)于目前機(jī)床上廣泛使用的半閉環(huán)滾珠絲杠進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由于是通過(guò)安裝在電機(jī)軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器作為位置反饋，因此，扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)是影響控制器穩(wěn)定性的主要因素，在傳動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)特性分析中必須充分考慮扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)行為對(duì)控制的影響，進(jìn)而對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行有效的補(bǔ)償。但目前還缺乏有效的手段對(duì)數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行精確測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種數(shù)控機(jī)床扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)的測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，該裝置和方法可快速和準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)，分析其扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)特性。
首先，本發(fā)明提供了一種數(shù)控機(jī)床扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)的測(cè)量裝置，包括霍爾傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、高分辯率旋轉(zhuǎn)編碼器、計(jì)數(shù)器、參數(shù)識(shí)別模塊、計(jì)算機(jī)；霍爾傳感器安裝在伺服電機(jī)電源線(xiàn)上，數(shù)據(jù)采集卡安裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)，二者通過(guò)信號(hào)電纜相連，用于測(cè)量伺服電機(jī)電流；兩個(gè)高分辯率旋轉(zhuǎn)編碼器分別安裝在滾珠絲杠前端和后端，它們通過(guò)信號(hào)電纜與計(jì)數(shù)器相連，計(jì)數(shù)器通過(guò)信號(hào)線(xiàn)與計(jì)算機(jī)相連，用于測(cè)量滾珠絲杠前端和后端的角速度信號(hào)；參數(shù)識(shí)別模塊為計(jì)算機(jī)軟件，安裝在計(jì)算機(jī)中，用于對(duì)電機(jī)電流信號(hào)和滾珠絲杠角速度信號(hào)進(jìn)行處理，并識(shí)別出扭轉(zhuǎn)模態(tài)參數(shù)。其次，利用該裝置，本發(fā)明提供了一種數(shù)控機(jī)床扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)的測(cè)量方法，它包括如下步驟1)利用數(shù)控裝置產(chǎn)生一系列具有相同振幅和變化頻率的正弦波，然后用上升序列經(jīng)過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器送到伺服電機(jī)；2)伺服驅(qū)動(dòng)器將信號(hào)經(jīng)整定放大后送到伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)；3)用霍爾傳感器和數(shù)據(jù)采集卡測(cè)量伺服電機(jī)電流信號(hào)，并由此計(jì)算出電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；4)用高分辯率旋轉(zhuǎn)編碼器和計(jì)數(shù)器分別測(cè)量滾珠絲杠前后端的角速度；5)所有數(shù)據(jù)收集完畢后，由參數(shù)識(shí)別模塊對(duì)采樣角速度信號(hào)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩分別作傅立葉變換并求其比值，求出電機(jī)轉(zhuǎn)矩與絲杠上測(cè)點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)；6)由參數(shù)識(shí)別模塊利用加權(quán)最小二乘法識(shí)別電機(jī)轉(zhuǎn)子-絲杠系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)參數(shù)，獲得扭轉(zhuǎn)振動(dòng)各階固有頻率和模態(tài)振型。本發(fā)明可快速和準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)，分析其扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)特性，為滾珠絲杠進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制提供科學(xué)依據(jù)。


圖1為本發(fā)明測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明測(cè)量方法流程圖。圖中1.數(shù)控裝置，2.伺服驅(qū)動(dòng)器，3.數(shù)據(jù)采集卡，4.計(jì)算機(jī)，5.參數(shù)識(shí)別模塊， 6.計(jì)數(shù)器，7.霍爾傳感器，8.伺服電機(jī)，9.聯(lián)軸器，10.絲杠前軸承，11.高分辯率旋轉(zhuǎn)編碼器，12.導(dǎo)軌，13.滾珠絲杠，14.螺母，15.工作臺(tái)，16.絲杠后軸承。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明所要測(cè)量的數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括數(shù)控裝置1，伺服驅(qū)動(dòng)器2，伺服電機(jī)8，聯(lián)軸器9，絲杠前軸承10，導(dǎo)軌12，滾珠絲杠13，螺母14，工作臺(tái)15，絲杠后軸承16。本發(fā)明中的測(cè)量裝置包括霍爾傳感器7、數(shù)據(jù)采集卡3、高分辯率旋轉(zhuǎn)編碼器11、計(jì)數(shù)器6、參數(shù)識(shí)別模塊5、計(jì)算機(jī)4。霍爾傳感器7安裝在伺服電機(jī)電源線(xiàn)上，數(shù)據(jù)采集卡3安裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)，二者通過(guò)信號(hào)電纜相連。兩個(gè)高分辯率旋轉(zhuǎn)編碼器11 分別安裝在滾珠絲杠前端和后端，它們通過(guò)信號(hào)電纜與計(jì)數(shù)器6相連，計(jì)數(shù)器6通過(guò)信號(hào)線(xiàn)與計(jì)算機(jī)4相連。參數(shù)識(shí)別模塊5為計(jì)算機(jī)軟件，安裝在計(jì)算機(jī)4中。
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如圖2所示，使用上述測(cè)量裝置的數(shù)控機(jī)床扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)的測(cè)量方法的步驟如下1)利用數(shù)控裝置產(chǎn)生一系列具有相同振幅和變化頻率的正弦波，然后用上升序列經(jīng)過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器2送到伺服電機(jī)8 ；2)伺服驅(qū)動(dòng)器2將信號(hào)經(jīng)整定放大后送到伺服電機(jī)8驅(qū)動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)；3)用霍爾傳感器7和數(shù)據(jù)采集卡3測(cè)量伺服電機(jī)電流信號(hào)，并由此計(jì)算出電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；4)用兩個(gè)高分辯率旋轉(zhuǎn)編碼器11和計(jì)數(shù)器6分別測(cè)量滾珠絲杠13前后端的角速度；5)所有數(shù)據(jù)收集完畢后，由參數(shù)識(shí)別模塊5對(duì)采樣角速度信號(hào)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩分別作傅立葉變換并求其比值，求出電機(jī)轉(zhuǎn)矩與絲杠上測(cè)點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)；6)由參數(shù)識(shí)別模塊5利用加權(quán)最小二乘法識(shí)別電機(jī)轉(zhuǎn)子-絲杠系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)參數(shù)，獲得扭轉(zhuǎn)振動(dòng)各階固有頻率和模態(tài)振型。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控機(jī)床扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)的測(cè)量裝置，其特征在于霍爾傳感器(7)、數(shù)據(jù)采集卡(3)、高分辯率旋轉(zhuǎn)編碼器(11)、計(jì)數(shù)器(6)、參數(shù)識(shí)別模塊(5)、計(jì)算機(jī)；霍爾傳感器 (7)安裝在伺服電機(jī)電源線(xiàn)上，數(shù)據(jù)采集卡(3)安裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)，二者通過(guò)信號(hào)電纜相連；兩個(gè)高分辯率旋轉(zhuǎn)編碼器(11)分別安裝在滾珠絲杠前端和后端，它們通過(guò)信號(hào)電纜與計(jì)數(shù)器(6)相連，計(jì)數(shù)器(6)通過(guò)信號(hào)線(xiàn)與計(jì)算機(jī)(4)相連；參數(shù)識(shí)別模塊( 為計(jì)算機(jī)軟件，安裝在計(jì)算機(jī)中。
2.一種使用權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置的數(shù)控機(jī)床扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)的測(cè)量方法，其特征在于包括如下步驟1)利用數(shù)控裝置產(chǎn)生一系列具有相同振幅和變化頻率的正弦波，然后用上升序列經(jīng)過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器⑵送到伺服電機(jī)(8)；2)伺服驅(qū)動(dòng)器( 將信號(hào)經(jīng)整定放大后送到伺服電機(jī)(8)驅(qū)動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)；3)用霍爾傳感器(7)和數(shù)據(jù)采集卡C3)測(cè)量伺服電機(jī)電流信號(hào)，并由此計(jì)算出電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；4)用兩個(gè)高分辯率旋轉(zhuǎn)編碼器(11)和計(jì)數(shù)器(6)分別測(cè)量滾珠絲杠(1 前后端的角速度；5)所有數(shù)據(jù)收集完畢后，由參數(shù)識(shí)別模塊( 對(duì)采樣角速度信號(hào)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩分別作傅立葉變換并求其比值，求出電機(jī)轉(zhuǎn)矩與絲杠上測(cè)點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)；6)由參數(shù)識(shí)別模塊( 利用加權(quán)最小二乘法識(shí)別電機(jī)轉(zhuǎn)子-絲杠系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)參數(shù)，獲得扭轉(zhuǎn)振動(dòng)各階固有頻率和模態(tài)振型。
全文摘要
一種數(shù)控機(jī)床扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)的測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，測(cè)量裝置包括霍爾傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、高分辯率旋轉(zhuǎn)編碼器、計(jì)數(shù)器、參數(shù)識(shí)別模塊、計(jì)算機(jī)。測(cè)量方法包括利用數(shù)控裝置產(chǎn)生一系列具有相同振幅和變化頻率的正弦波，測(cè)量伺服電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)而得到伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并通過(guò)高精度旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量絲杠的旋轉(zhuǎn)角速度，對(duì)采樣角速度信號(hào)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩分別作傅立葉變換并求其比值，求出電機(jī)轉(zhuǎn)矩與絲杠上測(cè)點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)，最后利用加權(quán)最小二乘法識(shí)別電機(jī)轉(zhuǎn)子-絲杠系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)參數(shù)，獲得扭轉(zhuǎn)振動(dòng)各階固有頻率和模態(tài)振型。可快速和準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)，分析其扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)特性，為滾珠絲杠進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制提供科學(xué)依據(jù)，適用于數(shù)控機(jī)床扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01M7/02GK102156033SQ20111007135
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月24日
發(fā)明者葉凱, 周勇, 曹小華, 李勇智, 李文鋒, 王國(guó)賢, 王貢獻(xiàn) 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)