专利名称：一种数控机床扭转振动模态的测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及数控机床动态性能测量装置，特别是涉及数控机床扭转振动模态的测
量装置。
背景技术：
高速加工技术是现代先进制造技术中最重要的共性技术之一，它代表了切削加工的发展方向，并逐渐成为切削加工的主流技术。高速加工技术首先要有高速主轴，而高速主轴必须装在结构能适应高速切削的机床上，才能充分发挥高速切削的众多优点，这就要求机床的进给驱动系统在有限的行程内，必须具备很高的加速度，来实现高的进给速度。目前数控机床的进给驱动系统多采用滚珠丝杠副驱动，滚珠丝杠副驱动是通过丝杠- >滚珠- >螺母之间的复杂传动关系，将电机的旋转运动转换成工作台的直线运动。在这一运动的转换过程中，细长的丝杠会产生扭转、轴向伸缩与横向弯曲变形和振动，而且在滚珠与滚道之间、滚珠与滚珠之间还会产生挤压和碰撞等力学现象。在高速、高加速度(尤其是大位移、重载荷)等非常规工况下，它们所导致的动力学行为将对机床的加工质量和效率产生明显影响，进而对常规的设计和控制理论及方法提出了新的挑战。为了提高高速滚珠丝杠副进给驱动系统机床加工精度的控制能力，目前的研究一方面是从机械优化设计的角度重视机械传动部分的动力学建模与分析，以保证机械结构本身具备高速、高加速度的能力；另一方面是在伺服控制乃至于数控指令中也越来越多地考虑与结构变形有关的共振或微观非线性动力学行为，以期实现高的伺服控制带宽和符合机床动力学特性的插补运动指令来满足高速、高加速度要求。首先，进给驱动机构的动力学特性决定了其运动部件会产生变形和振动，这种变形和振动在大负荷、高加速度条件下尤其严重，这就要求进给驱动机构具有很高的刚性，并且具有合理的结构以避免或减少驱动力引起的变形和振动。例如，为了满足高速的要求，一般选用大导程滚珠丝杠，在此情形下，会引起进给驱动机构负荷增大、刚性不足以及振动加剧等问题。其次，高速数控机床要实现高的进给速度和加速度，并在高速下仍有高的定位精度，需要其进给伺服驱动具有高响应、高精度和高稳定性。然而，传动部件的变形和振动会导致控制系统不稳定，限制其控制带宽。 对于目前机床上广泛使用的半闭环滚珠丝杠进给驱动系统，由于是通过安装在电机轴上的旋转编码器作为位置反�。虼耍ぷρ怯跋炜刂破魑榷ㄐ缘闹饕蛩兀诖考亩ρ匦苑治鲋斜匦氤浞挚悸桥ぷρ形钥刂频挠跋欤钥刂葡低辰杏行У牟钩�。但目前还缺乏有效的手段对数控机床滚珠丝杠进给驱动机构的扭转振动模态进行精确测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种数控机床扭转振动模态的测量装置及其测量方法，该装置和方法可快速和准确测量数控机床滚珠丝杠进给驱动机构的扭转振动模态，分析其扭转动力学特性。
首先，本发明提供了一种数控机床扭转振动模态的测量装置，包括霍尔传感器、数据采集卡、高分辩率旋转编码器、计数器、参数识别�？�、计算机；霍尔传感器安装在伺服电机电源线上，数据采集卡安装在计算机内，二者通过信号电缆相连，用于测量伺服电机电流；两个高分辩率旋转编码器分别安装在滚珠丝杠前端和后端，它们通过信号电缆与计数器相连，计数器通过信号线与计算机相连，用于测量滚珠丝杠前端和后端的角速度信号；参数识别模块为计算机软件，安装在计算机中，用于对电机电流信号和滚珠丝杠角速度信号进行处理，并识别出扭转模态参数。其次，利用该装置，本发明提供了一种数控机床扭转振动模态的测量方法，它包括如下步骤1)利用数控装置产生一系列具有相同振幅和变化频率的正弦波，然后用上升序列经过伺服驱动器送到伺服电机；2)伺服驱动器将信号经整定放大后送到伺服电机驱动丝杠运动；3)用霍尔传感器和数据采集卡测量伺服电机电流信号，并由此计算出电机驱动转矩；4)用高分辩率旋转编码器和计数器分别测量滚珠丝杠前后端的角速度；5)所有数据收集完毕后，由参数识别�？槎圆裳撬俣刃藕庞氲缁胤直鹱鞲盗⒁侗浠徊⑶笃浔戎担蟪龅缁赜胨扛苌喜獾阒涞拇莺�6)由参数识别�？槔眉尤ㄗ钚《朔ㄊ侗鸬缁�-丝杠系统扭转振动模态参数，获得扭转振动各阶固有频率和模态振型。本发明可快速和准确测量数控机床滚珠丝杠进给驱动机构的扭转振动模态，分析其扭转动力学特性，为滚珠丝杠进给驱动机构的设计及振动控制提供科学依据。
图1为本发明测量装置结构示意图。图2为本发明测量方法流程图。图中1.数控装置，2.伺服驱动器，3.数据采集卡，4.计算机，5.参数识别�？椋� 6.计数器，7.霍尔传感器，8.伺服电机，9.联轴器，10.丝杠前轴承，11.高分辩率旋转编码器，12.导轨，13.滚珠丝杠，14.螺母，15.工作台，16.丝杠后轴承。
具体实施例方式如图1所示，本发明所要测量的数控机床滚珠丝杠进给驱动系统主要包括数控装置1，伺服驱动器2，伺服电机8，联轴器9，丝杠前轴承10，导轨12，滚珠丝杠13，螺母14，工作台15，丝杠后轴承16。本发明中的测量装置包括霍尔传感器7、数据采集卡3、高分辩率旋转编码器11、计数器6、参数识别�？�5、计算机4。霍尔传感器7安装在伺服电机电源线上，数据采集卡3安装在计算机内，二者通过信号电缆相连。两个高分辩率旋转编码器11 分别安装在滚珠丝杠前端和后端，它们通过信号电缆与计数器6相连，计数器6通过信号线与计算机4相连。参数识别�？�5为计算机软件，安装在计算机4中。
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如图2所示，使用上述测量装置的数控机床扭转振动模态的测量方法的步骤如下1)利用数控装置产生一系列具有相同振幅和变化频率的正弦波，然后用上升序列经过伺服驱动器2送到伺服电机8 ；2)伺服驱动器2将信号经整定放大后送到伺服电机8驱动丝杠运动；3)用霍尔传感器7和数据采集卡3测量伺服电机电流信号，并由此计算出电机驱动转矩；4)用两个高分辩率旋转编码器11和计数器6分别测量滚珠丝杠13前后端的角速度；5)所有数据收集完毕后，由参数识别模块5对采样角速度信号与电机转矩分别作傅立叶变换并求其比值，求出电机转矩与丝杠上测点之间的传递函数；6)由参数识别�？�5利用加权最小二乘法识别电机转子-丝杠系统扭转振动模态参数，获得扭转振动各阶固有频率和模态振型。
权利要求
1.一种数控机床扭转振动模态的测量装置，其特征在于霍尔传感器(7)、数据采集卡(3)、高分辩率旋转编码器(11)、计数器(6)、参数识别模块(5)、计算机；霍尔传感器 (7)安装在伺服电机电源线上，数据采集卡(3)安装在计算机内，二者通过信号电缆相连；两个高分辩率旋转编码器(11)分别安装在滚珠丝杠前端和后端，它们通过信号电缆与计数器(6)相连，计数器(6)通过信号线与计算机(4)相连；参数识别�？�( 为计算机软件，安装在计算机中。
2.一种使用权利要求1所述的测量装置的数控机床扭转振动模态的测量方法，其特征在于包括如下步骤1)利用数控装置产生一系列具有相同振幅和变化频率的正弦波，然后用上升序列经过伺服驱动器⑵送到伺服电机(8)；2)伺服驱动器( 将信号经整定放大后送到伺服电机(8)驱动丝杠运动；3)用霍尔传感器(7)和数据采集卡C3)测量伺服电机电流信号，并由此计算出电机驱动转矩；4)用两个高分辩率旋转编码器(11)和计数器(6)分别测量滚珠丝杠(1 前后端的角速度；5)所有数据收集完毕后，由参数识别模块( 对采样角速度信号与电机转矩分别作傅立叶变换并求其比值，求出电机转矩与丝杠上测点之间的传递函数；6)由参数识别�？�( 利用加权最小二乘法识别电机转子-丝杠系统扭转振动模态参数，获得扭转振动各阶固有频率和模态振型。
全文摘要
一种数控机床扭转振动模态的测量装置及其测量方法，测量装置包括霍尔传感器、数据采集卡、高分辩率旋转编码器、计数器、参数识别�？�、计算机。测量方法包括利用数控装置产生一系列具有相同振幅和变化频率的正弦波，测量伺服电机电流信号进而得到伺服电机驱动转矩，并通过高精度旋转编码器测量丝杠的旋转角速度，对采样角速度信号与电机转矩分别作傅立叶变换并求其比值，求出电机转矩与丝杠上测点之间的传递函数，最后利用加权最小二乘法识别电机转子-丝杠系统扭转振动模态参数，获得扭转振动各阶固有频率和模态振型。可快速和准确测量数控机床滚珠丝杠进给驱动机构的扭转振动模态，分析其扭转动力学特性，为滚珠丝杠进给驱动机构的设计及振动控制提供科学依据，适用于数控机床扭转振动模态的测量。
文档编号G01M7/02GK102156033SQ20111007135
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者叶凯, 周勇, 曹小华, 李勇智, 李文锋, 王国贤, 王贡献 申请人:武汉理工大学
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