一種數控工具機扭轉振動模態的測量裝置的製作方法

2023-07-05 07:00:51 2

專利名稱：一種數控工具機扭轉振動模態的測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及數控工具機動態性能測量裝置，特別是涉及數控工具機扭轉振動模態的測量裝置。
背景技術：
高速加工技術是現代先進位造技術中最重要的共性技術之一，它代表了切削加工的發展方向，並逐漸成為切削加工的主流技術。高速加工技術首先要有高速主軸，而高速主軸必須裝在結構能適應高速切削的工具機上，才能充分發揮高速切削的眾多優點，這就要求工具機的進給驅動系統在有限的行程內，必須具備很高的加速度，來實現高的進給速度。目前數控工具機的進給驅動系統多採用滾珠絲槓副驅動，滾珠絲槓副驅動是通過絲槓- >滾珠- >螺母之間的複雜傳動關係，將電機的旋轉運動轉換成工作檯的直線運動。在這一運動的轉換過程中，細長的絲槓會產生扭轉、軸向伸縮與橫向彎曲變形和振動，而且在滾珠與滾道之間、滾珠與滾珠之間還會產生擠壓和碰撞等力學現象。在高速、高加速度(尤其是大位移、重載荷)等非常規工況下，它們所導致的動力學行為將對工具機的加工質量和效率產生明顯影響，進而對常規的設計和控制理論及方法提出了新的挑戰。為了提高高速滾珠絲槓副進給驅動系統工具機加工精度的控制能力，目前的研究一方面是從機械優化設計的角度重視機械傳動部分的動力學建模與分析，以保證機械結構本身具備高速、高加速度的能力；另一方面是在伺服控制乃至於數控指令中也越來越多地考慮與結構變形有關的共振或微觀非線性動力學行為，以期實現高的伺服控制帶寬和符合工具機動力學特性的插補運動指令來滿足高速、高加速度要求。首先，進給驅動機構的動力學特性決定了其運動部件會產生變形和振動，這種變形和振動在大負荷、高加速度條件下尤其嚴重，這就要求進給驅動機構具有很高的剛性，並且具有合理的結構以避免或減少驅動力引起的變形和振動。例如，為了滿足高速的要求，一般選用大導程滾珠絲槓，在此情形下，會引起進給驅動機構負荷增大、剛性不足以及振動加劇等問題。其次，高速數控工具機要實現高的進給速度和加速度，並在高速下仍有高的定位精度，需要其進給伺服驅動具有高響應、高精度和高穩定性。然而，傳動部件的變形和振動會導致控制系統不穩定，限制其控制帶寬。 對於目前工具機上廣泛使用的半閉環滾珠絲槓進給驅動系統，由於是通過安裝在電機軸上的旋轉編碼器作為位置反饋，因此，扭轉動力學是影響控制器穩定性的主要因素，在傳動部件的動力學特性分析中必須充分考慮扭轉動力學行為對控制的影響，進而對控制系統進行有效的補償。但目前還缺乏有效的手段對數控工具機滾珠絲槓進給驅動機構的扭轉振動模態進行精確測量。
發明內容本實用新型的目的是提供一種數控工具機扭轉振動模態的測量裝置，可快速和準確測量數控工具機滾珠絲槓進給驅動機構的扭轉振動模態，分析其扭轉動力學特性。本實用新型包括霍爾傳感器、數據採集卡、高分辯率旋轉編碼器、計數器、參數識
3別模塊、計算機；霍爾傳感器安裝在伺服電機電源線上，數據採集卡安裝在計算機內，二者通過信號電纜相連，用於測量伺服電機電流；兩個高分辯率旋轉編碼器分別安裝在滾珠絲槓前端和後端，它們通過信號電纜與計數器相連，計數器通過信號線與計算機相連，用於測量滾珠絲槓前端和後端的角速度信號；參數識別模塊為計算機軟體，安裝在計算機中，用於對電機電流信號和滾珠絲槓角速度信號進行處理，並識別出扭轉模態參數。本實用新型可快速和準確測量數控工具機滾珠絲槓進給驅動機構的扭轉振動模態， 分析其扭轉動力學特性，為滾珠絲槓進給驅動機構的設計及振動控制提供科學依據。

附圖為本實用新型測量裝置結構示意圖。圖中1.數控裝置，2.伺服驅動器，3.數據採集卡，4.計算機，5.參數識別模塊， 6.計數器，7.霍爾傳感器，8.伺服電機，9.聯軸器，10.絲槓前軸承，11.高分辯率旋轉編碼器，12.導軌，13.滾珠絲槓，14.螺母，15.工作檯，16.絲槓後軸承。
具體實施方式
如附圖所示，本實用新型所要測量的數控工具機滾珠絲槓進給驅動系統主要包括數控裝置1，伺服驅動器2，伺服電機8，聯軸器9，絲槓前軸承10，導軌12，滾珠絲槓13，螺母 14，工作檯15，絲槓後軸承16。本實用新型中的測量裝置包括霍爾傳感器7、數據採集卡3、 高分辯率旋轉編碼器11、計數器6、參數識別模塊5、計算機4。霍爾傳感器7安裝在伺服電機電源線上，數據採集卡3安裝在計算機內，二者通過信號電纜相連。兩個高分辯率旋轉編碼器11分別安裝在滾珠絲槓前端和後端，它們通過信號電纜與計數器6相連，計數器6通過信號線與計算機4相連。參數識別模塊5為計算機軟體，安裝在計算機4中。本實用新型利用數控裝置1產生一系列具有相同振幅和變化頻率的正弦波，通過在滾珠絲槓13前端和後端分別安裝高精度旋轉編碼器11測量滾珠絲槓13的旋轉角速度， 並利用霍爾傳感器7測量伺服電機電流信號進而得到伺服電機8的驅動轉矩，對採樣角速度信號與電機轉矩分別作傅立葉變換並求其比值，求出電機轉矩與絲槓上測點之間的傳遞函數，最後利用加權最小二乘法識別電機轉子-絲槓系統扭轉振動模態參數，獲得扭轉振動各階固有頻率和模態振型。
權利要求1. 一種數控工具機扭轉振動模態的測量裝置，其特徵在於霍爾傳感器(7)、數據採集卡(3)、高分辯率旋轉編碼器(11)、計數器(6)、參數識別模塊(5)、計算機；霍爾傳感器 (7)安裝在伺服電機電源線上，數據採集卡(3)安裝在計算機內，二者通過信號電纜相連；兩個高分辯率旋轉編碼器(11)分別安裝在滾珠絲槓前端和後端，它們通過信號電纜與計數器(6)相連，計數器(6)通過信號線與計算機(4)相連；參數識別模塊( 為計算機軟體，安裝在計算機中。
專利摘要一種數控工具機扭轉振動模態的測量裝置，包括霍爾傳感器、數據採集卡、高分辯率旋轉編碼器、計數器、參數識別模塊、計算機。霍爾傳感器安裝在伺服電機電源線上，數據採集卡安裝在計算機內，二者通過信號電纜相連。兩個高分辯率旋轉編碼器分別安裝在滾珠絲槓前端和後端，它們通過信號電纜與計數器相連，計數器通過信號線與計算機相連。參數識別模塊為計算機軟體，安裝在計算機中。可快速和準確測量數控工具機滾珠絲槓進給驅動機構的扭轉振動模態，分析其扭轉動力學特性，為滾珠絲槓進給驅動機構的設計及振動控制提供科學依據，適用於數控工具機扭轉振動模態的測量。
文檔編號B23Q17/12GK202010918SQ20112007967
公開日2011年10月19日 申請日期2011年3月24日 優先權日2011年3月24日
發明者葉凱, 周勇, 曹小華, 李勇智, 李文鋒, 王國賢, 王貢獻 申請人:武漢理工大學