[实用新型]一种数控机床扭转振动模态的测量装置

说明书

技术领域

本实用新型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馈，因此，扭转动力学是影响控制器稳定性的主要因素，在传动部件的动力学特性分析中必须充分考虑扭转动力学行为对控制的影响，进而对控制系统进行有效的补偿。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

本实用新型的目的是提供一种数控机床扭转振动模态的测量装置，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。

本实用新型包括霍尔传感器、数据采集卡、高分辩率旋转编码器、计数器、参数识别模块、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。

本实用新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。

附图说明

附图为本实用新型测量装置结构示意图。

图中：1.数控装置，2.伺服驱动器，3.数据采集卡，4.计算机，5.参数识别模块，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。

具体实施方式

如附图所示，本实用新型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。本实用新型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、参数识别模块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。参数识别模块5为计算机软件，安装在计算机4中。

本实用新型利用数控装置1产生一系列具有相同振幅和变化频率的正弦波，通过在滚珠丝杠13前端和后端分别安装高精度旋转编码器11测量滚珠丝杠13的旋转角速度，并利用霍尔传感器7测量伺服电机电流信号进而得到伺服电机8的驱动转矩，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。