專利名稱：一種數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)擾動負載仿真裝置及仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于擾動負載仿真技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)擾動負載仿真裝置及仿真方法。
背景技術(shù)：
數(shù)控機床由于其自動化程度高、技術(shù)先迸，已成為生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，尤其是對于加工多品種小批量、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、精度要求高的零件，數(shù)控機床承擔(dān)著無可替代的作用。伺服進給系統(tǒng)是數(shù)控機床的關(guān)鍵組成部分，是影響數(shù)控機床各項性能的主要因素。伺服進給系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性、抗干擾性的好壞直接影響著數(shù)控機床對エ件的加工質(zhì)量，因此研究伺服進給系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性以及抗干擾性，提高數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)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(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)響應(yīng)的穩(wěn)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(shù)控機床各零部件、機構(gòu)的エ作狀態(tài)，驗證設(shè)計和計算結(jié)果的正確性，從而確定數(shù)控機床加工過程中的負載擾動譜和某些物理現(xiàn)象的機理。然而數(shù)控機床加工工程中的擾動負載的監(jiān)測過于復(fù)雜，所需設(shè)備昂貴，對實現(xiàn)外變負載擾動與數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)的量化評估帶來了困難。但在加工過程中，變負載擾動對數(shù)控機床伺服進給動態(tài)響應(yīng)特性的影響是不可忽略的，而且也是目前國內(nèi)外學(xué)者、各大數(shù)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(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題在于提供一種數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)擾動負載仿真裝置及仿真方法，能夠方便的模擬數(shù)控機床加工過程中變負載擾動對伺服進給系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性的影響。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)擾動負載仿真裝置，包括伺服驅(qū)動器和伺服電動機，伺服動電機與傳動軸通過聯(lián)軸器相連接，傳動軸上設(shè)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(shè)有飛輪；伺服驅(qū)動器還與發(fā)送運動指令的運動控制器相連接，伺服電機內(nèi)設(shè)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(jiān)測驅(qū)動カ的計算機上。所述的伺服電動機固定設(shè)在電機支座上，電機支座固定設(shè)在固定板上。所述的左軸承和右軸承固定設(shè)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(shè)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(fā)出的運動指令包括驅(qū)動伺服電機實現(xiàn)勻速、正弦、隨機、偽隨機轉(zhuǎn)動的運動指令?；谒龇抡嫜b置的仿真方法，包括以下步驟I)根據(jù)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(shè)定運動控制器的運動指令；2)根據(jù)仿真測試要求選取飛輪；3)伺服驅(qū)動器獲取運動指令并驅(qū)動伺服電動機轉(zhuǎn)動，編碼器監(jiān)測伺服電動機的轉(zhuǎn)速并反饋給運動控制器；4)飛輪跟隨伺服電動機轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生離心カ；5)離心力作用于伺服進給系統(tǒng)，產(chǎn)生規(guī)律變化的擾動負載，從而仿真擾動負載作用伺服進給系統(tǒng)；6)采集進給系統(tǒng)的位置信號，然后分析進給系統(tǒng)動態(tài)特性，從而分析擾動負載對伺服進給系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。所述的運動方式的選擇為不同的轉(zhuǎn)動方式產(chǎn)生不同的擾動負載，可實現(xiàn)數(shù)控加エ過程中多種擾動負載疊加作用伺服進給系統(tǒng)的仿真效果。所述的飛輪選擇為同一質(zhì)量飛輪可實現(xiàn)不同頻率的不同擾動負載對伺服進行系統(tǒng)動態(tài)特性的影響的仿真；選取不同質(zhì)量的飛輪，在同種運動方式下，可實現(xiàn)相同頻率下不同載荷對伺服進行系統(tǒng)動態(tài)特性的影響的仿真。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果本發(fā)明提供的數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)擾動負載仿真裝置及仿真方法，利用較簡單的機構(gòu)實現(xiàn)對數(shù)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(zhuǎn)動方式的改變從而產(chǎn)生不同的擾動負載，可實現(xiàn)數(shù)控加工過程中多種擾動負載疊加作用伺服進給系統(tǒng)的仿真效果；以及通過變化的載荷(飛輪的質(zhì)量)來模擬仿真數(shù)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(tǒng)動態(tài)響應(yīng)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(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的影響。


圖I為本發(fā)明的仿真裝置示意圖；圖2為本發(fā)明系統(tǒng)控制示意圖；圖3為本發(fā)明仿真方法流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進ー步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。如圖I所示，本發(fā)、明提出的用于數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)擾動負載仿真裝置包括驅(qū)動部件、電機支座3、聯(lián)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(zhí)行部件。驅(qū)動部件為伺服驅(qū)動器I和伺服電動機2，伺服電動機2固定設(shè)在電機支座3上，電機支座3固定設(shè)在固定板15上,伺服電機2與聯(lián)軸器4相連,聯(lián)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(shè)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(shè)在固定板15上，固定板15與機床工作臺16相連。執(zhí)行部件為飛輪8，飛輪8與傳動軸14通過鍵13聯(lián)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(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)負載擾動仿真方法，運動控制器可實現(xiàn)勻速轉(zhuǎn)動、正弦轉(zhuǎn)動、隨機轉(zhuǎn)動以及偽隨機轉(zhuǎn)動等運動指令，運動控制器將指令傳送給伺服驅(qū)動器1，從而驅(qū)動伺服電機2實現(xiàn)勻速、正弦、隨機、偽隨機等運動方式。將伺服電機2內(nèi)置編碼器獲得的位置信息反饋給運動控制器，實現(xiàn)系統(tǒng)的半閉環(huán)控制，伺服電機2的電流信息反饋到PC機從而實現(xiàn)對驅(qū)動カ的監(jiān)測。伺服電機2不同的轉(zhuǎn)動方式產(chǎn)生不同的擾動負載，從而實現(xiàn)數(shù)控加工過程中多種 可實現(xiàn)相同頻率下不同載荷對伺服進行系統(tǒng)動態(tài)特性的影響的仿真。下面為以伺服電機2勻速轉(zhuǎn)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(shè)定擾動負載的幅值A(chǔ)，設(shè)定運動控制器的運行指令，伺服驅(qū)動器I運行指令；2)伺服驅(qū)動器I獲取運動指令并驅(qū)動伺服電機2轉(zhuǎn)動，獲得的伺服電機轉(zhuǎn)速為η ；3)選取的飛輪8的質(zhì)量為Μ,計算飛輪8的轉(zhuǎn)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(zhì)量，r為飛輪8質(zhì)心到轉(zhuǎn)動圓心的距離；4)飛輪8跟隨伺服電機2轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生離心力，離心力的大小為
Fn =Ma11 =Mxrx(^^)2，其中M為飛輪8的質(zhì)量，an為向心加速度，r為飛輪8質(zhì)心到轉(zhuǎn)
OU
動圓心的距離，η為伺服電機2轉(zhuǎn)速；5)離心力作用于伺服進給系統(tǒng)，產(chǎn)生的擾動負載F，其跟隨飛輪轉(zhuǎn)動成正弦變化F=Fnsin(cot),其中Fn為產(chǎn)生的離心力，ω為轉(zhuǎn)動頻率，t為運行時間；6)仿真擾動負載作用伺服進給系統(tǒng)，分析進給系統(tǒng)的位置信號，研究擾動負載對伺服進給系統(tǒng)動態(tài)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(yīng)的公式進行替換。通過以上操作步驟，運行仿真機構(gòu)產(chǎn)生擾動負載后，伺服進給系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性有著明顯的變化，而且可以很有直觀的分析其特性規(guī)律，為研究負載擾動對伺服進給系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性的影響提供了一種簡單、方便、有效的方法。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)擾動負載仿真裝置，其特征在于，包括伺服驅(qū)動器(I)和伺服電動機(2)，伺服電動機(2)與傳動軸(14)通過聯(lián)軸器(4)相連接，傳動軸(14)上設(shè)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(shè)有飛輪(8)； 伺服驅(qū)動器(I)還與發(fā)送運動指令的運動控制器相連接，伺服電動機(2)內(nèi)設(shè)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(jiān)測驅(qū)動力的計算機上。
2.如權(quán)利要求I所述的數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)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(shè)在電機支座(3)上，電機支座(3)固定設(shè)在固定板(15)上。
3.如權(quán)利要求I所述的數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)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(shè)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(shè)在固定板(15)上。
4.如權(quán)利要求2或3所述的數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)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(quán)利要求4任何一項所述的數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)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(quán)利要求I所述的數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)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(quán)利要求I所述的數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)擾動負載仿真裝置，其特征在于，所述的運動控制器發(fā)出的運動指令包括驅(qū)動伺服電機實現(xiàn)勻速、正弦、隨機、偽隨機轉(zhuǎn)動的運動指令。
8.基于權(quán)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(jù)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(shè)定運動控制器的運動指令； 2)根據(jù)仿真測試要求選取飛輪； 3)伺服驅(qū)動器獲取運動指令并驅(qū)動伺服電動機轉(zhuǎn)動，編碼器監(jiān)測伺服電動機的轉(zhuǎn)速并反饋給運動控制器； 4)飛輪跟隨伺服電動機轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生離心力； 5)離心力作用于伺服進給系統(tǒng)，產(chǎn)生規(guī)律變化的擾動負載，從而仿真擾動負載作用伺服進給系統(tǒng)； 6)采集進給系統(tǒng)的位置信號，然后分析進給系統(tǒng)動態(tài)特性，從而分析擾動負載對伺服進給系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。
9.如權(quán)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(zhuǎn)動方式產(chǎn)生不同的擾動負載，可實現(xiàn)數(shù)控加工過程中多種擾動負載疊加作用伺服進給系統(tǒng)的仿真效果。
10.如權(quán)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(zhì)量飛輪可實現(xiàn)不同頻率的不同擾動負載對伺服進行系統(tǒng)動態(tài)特性的影響的仿真；選取不同質(zhì)量的飛輪 ，在同種運動方式下，可實現(xiàn)相同頻率下不同載荷對伺服進行系統(tǒng)動態(tài)特性的影響的仿真。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)擾動負載仿真裝置，包括伺服驅(qū)動器和伺服電動機，伺服動電機與傳動軸通過聯(lián)軸器相連接，傳動軸上設(shè)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(shè)有飛輪；伺服驅(qū)動器還與發(fā)送運動指令的運動控制器相連接，伺服電機內(nèi)設(shè)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(jiān)測驅(qū)動力的計算機上。本發(fā)明為研究加工過程中擾動負載對伺服進給系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)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(tǒng)動態(tài)響應(yīng)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(yōu)先權(quán)日2012年5月23日
發(fā)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(xué)