一种伺服进给机构性能测试试验装置及测试方法
【专利摘要】本发明公开一种伺服进给机构性能测试试验装置，包括台体，台体两侧设有导轨，导轨上设有被测工作台和施力工作台，施力工作台上固接液压缸并活动连接被测工作台，设置在导轨外侧的光栅尺，施力伺服驱动单元具有伺服电机Ⅰ，通过联轴器Ⅰ与伺服电机Ⅰ连接的丝杠Ⅰ，穿在丝杠Ⅰ上的丝母Ⅰ，丝母Ⅰ与施力工作台连接；被测伺服驱动单元具有伺服电机Ⅱ，通过两个相连的联轴器Ⅱ与伺服电机Ⅱ连接的丝杠Ⅱ，穿在丝杠Ⅱ上的丝母Ⅱ，丝母Ⅱ与被测工作台连接；控制系统，具有电气柜，伺服电机Ⅰ与伺服电机Ⅱ通过线路与电气柜连接，电气柜上连有数控系统；以及利用该试验装置进行测试的方法。本发明可以对伺服进给机构进行多项性能的测试。
【专利说明】一种伺服进给机构性能测试试验装置及测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及数控机床用伺服进给机构测试领域，具体为一种伺服进给机构性能测试试验装置及测试方法。
【背景技术】
[0002]目前数控机床产品基本上都是采用的丝杠丝母驱动、滑块导轨驱动的伺服进给机构，而伺服进给机构性能好坏直接影响机床的整机性能，因此了解并掌握各个影响伺服进给机构性能的因素对设计和分析伺服进给机构至关重要。各种不同规格机床采用的伺服进给机构的结构尺寸不尽相同，但工作机理类似，如丝杠驱动丝母带动工作台沿着导轨运行，因此研究一种能够满足数控机床装配指定伺服进给机构性能测试需求的试验装置是本领域技术人员亟需解决的问题。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种伺服进给机构性能测试试验装置，该试验装置可以进行伺服进给机构多项性能的测试。
[0004]本发明所采用的技术方案为:
[0005]一种伺服进给机构性能测试试验装置，包括
[0006]台体，台体两侧设有导轨，导轨上设有被测工作台和施力工作台，施力工作台上固接施力液压缸，施力液压缸依次与连接块、浮动接头和连接座连接，连接座与被测工作台活动连接，液压站通过管道与液压缸连接，导轨的外侧设有光栅尺，光栅尺固接在台体上；
[0007]施力伺服驱动单元固设在台体上，具有伺服电机I，通过联轴器I与伺服电机I连接的丝杠I，穿在丝杠I上的丝母I，丝母I与施力工作台连接；
[0008]被测伺服驱动单元固设在台体上，具有伺服电机II，通过两个相连的联轴器II与伺服电机II连接的丝杠II，穿在丝杠II上的丝母II，丝母II与被测工作台连接；
[0009]控制系统，具有电气柜，伺服电机I与伺服电机II通过线路与电气柜连接，电气柜上连有数控系统。
[0010]上述的伺服进给机构性能测试试验装置，所述导轨上设有滑块，被测工作台与施力工作台设置在滑块上；光栅尺通过光栅尺座设置在台体上；施力伺服驱动单元通过支座I固设在台体上，丝杠I穿过支座I其两端通过轴承支座I和轴承支座II支撑并固定在台体上，被测伺服驱动单元通过支座II固设在台体上，丝杠II穿过支座II其两端通过轴承支座III和轴承支座IV支撑并固定在台体上。
[0011]上述的伺服进给机构性能测试试验装置，还包括测试系统，所述测试系统包括扭矩传感器和测试柜，扭矩传感器设置在两个相连联轴器II的连接处，并通过线路与测试柜连接。
[0012]上述的伺服进给机构性能测试试验装置，所述测试系统还包括若干个磁式温度传感器，分别安装在丝母I1、轴承支座IV和被测工作台的两侧，若干个磁式温度传感器分别通过线路与测试柜连接。
[0013]上述的伺服进给机构性能测试试验装置，所述测试系统还包括若干个红外温度传感器，均布在丝杠II的一侧并通过固定支架固定在台体上，所述若干个红外温度传感器通过线路与测试柜连接。
[0014]上述的伺服进给机构性能测试试验装置，所述测试系统还包括压力传感器，设置在浮动接头与连接座之间，并通过线路与测试柜连接。
[0015]上述的伺服进给机构性能测试试验装置，所述测试系统还包括激光位移传感器，设置在丝杠II的轴端，固接在台体上，并通过线路与测试柜连接。
[0016]上述的伺服进给机构性能测试试验装置，所述测试柜通过线路与控制计算机IPC连接。
[0017]上述的伺服进给机构性能测试试验装置，所述台体通过地脚螺栓支撑在地面上，所述导轨通过螺栓固定在台体上，所述导轨的端部设有撞块，撞块通过撞块座固定在台体上。
[0018]本发明还提供一种利上述伺服进给机构性能测试试验装置进行测试的方法，具体为，检测被测工作台在无力情况下的各参数时，数控系统控制电气柜启动伺服电机II，伺服电机II通过联轴器II带动丝杠II运动从而通过丝母II驱动被测工作台运动；扭矩传感器检测伺服电机II传递给丝杠II的扭矩值；磁式温度传感器检测轴承支座IV、被测工作台和丝母II的温度值；红外传感器检测丝杠II的温度分布；激光位移传感器检测丝杠II的热伸长量；检测被测工作台在受力情况下的各参数时，将连接座与被测工作台连接，数控系统控制电气柜启动伺服电机I，伺服电机I通过联轴器I带动丝杠I运动从而通过丝母I控制施力工作台运动；压力传感器检测施力工作台作用在被测工作台的压力值，扭矩传感器检测伺服电机II传递给丝杠II的扭矩值；磁式温度传感器检测轴承支座IV、被测工作台和丝母II的温度值；红外传感器检测丝杠II的温度分布；激光位移传感器检测丝杠II的热伸长量。
[0019]本发明伺服进给机构性能测试试验装置具有以下有益效果:
[0020]1、本发明伺服进给机构性能测试试验装置结构简单，可以有效对由丝杠驱动丝母带动工作台沿导轨运行的伺服进给机构进行性能测试，从而掌握影响伺服进给机构性能的各种因素，为设计和分析伺服进给机构提供理论依据。
[0021]2、在丝母I1、轴承支座II和被测工作台的两侧分别设置磁式温度传感器，主要测试丝母I1、轴承支座II和被测工作台由于运动而产生的温度值和环境温度变化引起的伺服进给机构的温升变化，通过温度传感器反馈的数据有利于分析运动热源点和环境温度的变化对伺服进给机构热误差的影响。
[0022]3、在丝杠II的一侧均布设置红外温度传感器，可以有效测试丝杠II各部位的温度，检测丝杠II由于运动而产生的温度分布及其温度变化规律，为测试伺服进给机构热误差提供真实的温度数据。
[0023]4、在浮动接头与连接座之间设置压力传感器，可以测试被测工作台的静刚度，通过测量拉压力数据分析寻找伺服进给系统中刚度薄弱环节，减小伺服进给系统刚度对定位精度的影响。
[0024]5、在待测试丝杠轴端设置激光位移传感器采集由于被测伺服驱动单元运转发热及环境温度变化导致丝杠热变形产生的丝杠端面位置变化，在伺服机构运行过程中，进行伺服进给机构轴向热变形误差的实时测量，通过分析测试得到数据为研究伺服进给机构热变形提供依据。
[0025]6、在台体下设置地脚螺栓，起到对台体进行调平的作用，通过螺栓固定导轨，可以将导轨稳固地固定在台体上，在导轨的端部设置撞块，对工作台的移动起到限位的作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明伺服进给机构性能测试试验装置侧面结构示意图。
[0027]图2为本发明伺服进给机构性能测试试验装置俯视结构示意图。
[0028]图3为本发明伺服进给机构性能测试试验装置去掉施力工作台和被测工作台的俯视结构示意图。
[0029]图4为本发明伺服进给机构性能测试试验装置的总体示意图。
[0030]其中，1-地脚螺栓，2-拖链支架I，3-台体，4一联轴器I，5-磁式温度传感器，6-被测工作台，7-拖链I，8-光栅尺座II，9-拖链II，10-拖链支架II，11-导轨，12-支架，13-支座II，14-被测伺服驱动单元，15-撞块座，16-撞块，17-光栅尺I，18-光栅尺座I，19-浮动接头，20-压力传感器，21-连接块，22-施力液压缸，23-施力伺服驱动单元，24-支座I，25-光栅尺II，26-施力工作台，27-连接板，28-连接座，29-连接板，30-红外温度传感器，31-扭矩传感器，32-激光位移传感器，33-液压站，34-数控系统，35-电气柜，36-测试柜，37-控制计算机IPC，38-激光干涉仪，39-动态测试仪，40-装有IBN_T00L软件的笔记本电脑，41-千分表，42-伺服电机II，43-联轴器II，44-轴承支座III，45-丝杠II，46-丝母II，47-轴承支座I，48-丝杠I，49-轴承支座IV，50-丝母I，51-轴承支座II，52-伺服电机I。
【具体实施方式】
[0031 ] 实施例1 一种伺服进给机构性能测试试验装置
[0032]如图1-4所示，一种伺服进给机构性能测试试验装置，包括台体3，台体3的两侧设有导轨11，导轨11上设有被测工作台6和施力工作台26，施力工作台26上固接施力液压缸22，施力液压缸22依次与连接块21、浮动接头19和连接座28连接，连接座28与被测工作台6可拆卸式连接，液压站33通过管道与液压缸22连接，导轨11的外侧分别设有光栅尺
I17和光栅尺II 25，光栅尺I 17和光栅尺II 25固接在台体3上；优选地，导轨11上设有滑块，被测工作台6与施力工作台26设置在滑块上；光栅尺I 17和光栅尺II 25分别通过光栅尺座I 18和光栅尺座II 8设置在台体3上。台体3的侧面设有由拖链支架I 2支撑的拖链I 7和由拖链支架II 10支撑的拖链II 9，拖链I 7和拖链II 9分别通过连接板I 29和连接板II 27固定在台体3上，试验装置的线路设置在拖链I 7和拖链II 9里，方便被测工作台6和施力工作台26的运动。优选地，台体3通过地脚螺栓I支撑在地面上，导轨11通过螺栓固定在台体3上，导轨11的端部设有撞块16，撞块16通过撞块座15固定在台体3上。
[0033]施力伺服驱动单元23固设在台体3上，具有伺服电机I 52，通过联轴器I 4与伺服电机I 52连接的丝杠I 48，穿在丝杠I 48上的丝母I 50，丝母I 50与施力工作台26连接；优选地，施力伺服驱动单元23通过支座I 24固设在台体3上，丝杠I 48穿过支座I，丝杠I 48的两端通过轴承支座I 47和轴承支座II 51支撑并固定在台体3上。
[0034]被测伺服驱动单元14固设在台体3上，具有伺服电机II 42，通过两个相连的联轴器II 43与伺服电机II 42连接的丝杠II 45，穿在丝杠II 45上的丝母II 46，丝母II 46与被测工作台连接6 ;被测伺服驱动单元14通过支座II 13固设在台体3上，丝杠II 45穿过支座II 13，丝杠II 45的两端通过轴承支座III 44和轴承支座IV 49支撑并固定在台体3上。
[0035]控制系统，具有电气柜35,伺服电机I 52与伺服电机II 42通过线路与电气柜35连接，电气柜35上连有数控系统34。
[0036]测试系统，包括扭矩传感器31和测试柜36，扭矩传感器31设置在两个相连联轴器
II43的连接处，并通过线路与测试柜36连接。优选地，测试系统还包括四个磁式温度传感器5，一个磁式温度传感器5贴在丝母II 46上，一个磁式温度传感器5贴在轴承支座II 49上，另两个磁式温度传感器5分别设置在被测工作台6的两侧，4个磁式温度传感器通过线路与测试柜36连接。更优选地，测试系统还包括5个红外温度传感器30，均布在丝杠II 45的一侧并通过固定支架12固定在台体3上，所述5个红外温度传感器30通过线路与测试柜36连接。优选地，测试系统还包括压力传感器20，设置在浮动接头19与连接块21之间，并通过线路与测试柜36连接。优选地，测试系统还包括激光位移传感器32，设置丝杠II 45的另一侧，固接在台体3上，并通过线路与测试柜36连接。测试柜36通过线路与控制计算机IPC37连接。
[0037]优选地，本发明伺服进给机构性能测试试验装置，还可包括激光干涉仪38，动态测试仪39，装有IBN_T00L软件的笔记本电脑40，千分表41、振动测量仪。
[0038]在伺服进给机构性能测试试验装置周围布置激光干涉仪38，可以对被测伺服进给机构进行定位精度、重复定位精度的检验，并配合数控系统的补偿功能对伺服进给机构进行反向间隙、螺距补偿。布置振动测量仪，可以整个装置进行动态性测试，包括机构固有频率、阻尼比、模态振型等震动模态参数，通过模态分析方法研究结构在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的振型。可以在本发明伺服进给机构性能测试试验装置的控制系统上进行伺服进给机构频率响应特性测试，包括电流环、速度环和位置环进行频率响应特性测试。通过Bode图来描述频率特性。
[0039]可以在本发明伺服进给机构性能测试试验装置上进行伺服进给机构刚度测量，提高丝杠进给机构的综合拉压刚度(含支撑轴承的接触刚度和丝杠螺母副的接触刚度、轴承座和螺母座的刚度、丝杠自身的拉压刚度)和扭转刚度上，提高伺服进给系统刚度和降低机械传动链惯性，通过测量分析寻找伺服进给系统中刚度薄弱环节，并根据实验结果优化伺服进给系统，从而减小伺服进给系统刚度对定位精度的影响。
[0040]可以在本发明伺服进给机构性能测试试验装置上进行高速伺服进给系统加减速特性测试，分析伺服轴以不同速度进行直线往复运动时速度和加(减)速度给定值和实际值曲线判断加减速特性，为高速伺服进给系统性能评价和优化提供实验数据支撑。
[0041]可以在本发明伺服进给机构性能测试试验装置上进行伺服电机综合性能测试，测试伺服电机静态扭矩(电机短时过载能力的一种体现)、动态扭矩、旋转扭矩等综合性能，为伺服进给系统伺服电机选型及伺服控制优化提供实验数据支撑。
[0042]可以在本发明伺服进给机构性能测试试验装置上进行伺服电机参数与机械传动系统惯量匹配关系测试，研究伺服电机参数与机械传动系统惯量匹配关系，使用IBN_TOOL软件测试在不同负载惯量下的频率响应特性和最大进给速度下的加减速特性通过实验结果优化伺服进给系统设计时驱动电机选型。
[0043]因此通过本发明的伺服进给机构性能测试试验装置，可以对伺服进给机构进行多点温度的实时测量、热变形误差的测量，有关反向间隙、定位精度、重复定位精度、动态特性、频率响应特性的测试，及对伺服进给机构刚度的测量，对高速伺服进给系统加减速特性的测试，及对伺服电机的参数与机械传动系统惯量匹配关系等综合性能的测试。
[0044]实施例2 —种利上述伺服进给机构性能测试试验装置进行测试的方法。
[0045]具体为，检测被测工作台6在无力情况下的各参数时，数控系统34控制电气柜35启动伺服电机II 42，伺服电机II 42通过联轴器II 43带动丝杠II 45运动从而通过丝母II 46驱动被测工作台6运动；扭矩传感器31检测伺服电机II 42传递给丝杠II 45的扭矩值；磁式温度传感器5检测轴承支座IV 49、被测工作台6和丝母II 46的温度值；红外传感器30检测丝杠II 45的温度分布；激光位移传感器32检测伺服机构在运动中由于温度变化引起的丝杠II 45的热伸长量；扭矩传感器31，磁式温度传感器5，红外传感器30和激光位移传感器32，将信号传递给测试柜36，测试柜36再将信号反馈给控制计算机IPC37中，进行显示和分析。
[0046]检测被测工作台在受力情况下的各参数时，数控系统34控制电气柜35启动伺服电机I 52，伺服电机I 52通过联轴器I 4带动丝杠I 48运动从而通过丝母I 50控制施力工作台26运动；数控系统34控制电气柜35启动伺服电机II 42，伺服电机II 42通过联轴器II 43带动丝杠II 45运动从而通过丝母II 46驱动被测工作台6运动；扭矩传感器31检测伺服电机II 42传递给丝杠II 45的扭矩值；磁式温度传感器5检测轴承支座IV 49、被测工作台6和丝母II 46的温度值；红外传感器30检测丝杠II 45的温度分布；激光位移传感器32检测伺服机构在运动中由于温度变化引起的丝杠II 45的热伸长量；压力传感器20在伺服进给机构的刚度检测中检测施力工作台26作用在被测工作台6的压力值。扭矩传感器31,磁式温度传感器5,红外传感器30,激光位移传感器32和压力传感器20,将信号传递给测试柜36，测试柜36再将信号反馈给控制计算机IPC37中，进行显示和分析。
[0047]以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出的各种修改或等同替换也落在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种伺服进给机构性能测试试验装置，其特征在于，包括 台体，台体两侧设有导轨，导轨上设有被测工作台和施力工作台，施力工作台上固接施力液压缸，施力液压缸依次与连接块、浮动接头和连接座连接，连接座与被测工作台活动连接，液压站通过管道与液压缸连接，导轨的外侧设有光栅尺，光栅尺固接在台体上； 施力伺服驱动单元固设在台体上，具有伺服电机I，通过联轴器I与伺服电机I连接的丝杠I，穿在丝杠I上的丝母I，丝母I与施力工作台连接； 被测伺服驱动单元固设在台体上，具有伺服电机II，通过两个相连的联轴器II与伺服电机II连接的丝杠II，穿在丝杠II上的丝母II，丝母II与被测工作台连接； 控制系统，具有电气柜，伺服电机I与伺服电机II通过线路与电气柜连接，电气柜上连有数控系统。
2.根据权利要求1所述的伺服进给机构性能测试试验装置，其特征在于，所述导轨上设有滑块，被测工作台与施力工作台设置在滑块上；光栅尺通过光栅尺座设置在台体上；施力伺服驱动单元通过支座I固设在台体上，丝杠I穿过支座I其两端通过轴承支座I和轴承支座II支撑并固定在台体上，被测伺服驱动单元通过支座II固设在台体上，丝杠II穿过支座II其两端通过轴承支座III和轴承支座IV支撑并固定在台体上。
3.根据权利要求2所述的伺服进给机构性能测试试验装置，其特征在于，还包括测试系统，所述测试系统包括扭矩传感器和测试柜，扭矩传感器设置在两个相连联轴器II的连接处，并通过线路与测试柜连接。
4.根据权利要求3所述的伺服进给机构性能测试试验装置，其特征在于，所述测试系统还包括若干个磁式温度传感器，分别安装在丝母I1、轴承支座IV和被测工作台的两侧，若干个磁式温度传感器分别通过线路与测试柜连接。
5.根据权利要求3所述的伺服进给机构性能测试试验装置，其特征在于，所述测试系统还包括若干个红外温度传感器，均布在丝杠II的一侧并通过固定支架固定在台体上，所述若干个红外温度传感器通过线路与测试柜连接。
6.根据权利要求3所述的伺服进给机构性能测试试验装置，其特征在于，所述测试系统还包括压力传感器，设置在浮动接头与连接座之间，并通过线路与测试柜连接。
7.根据权利要求3所述的伺服进给机构性能测试试验装置，其特征在于，所述测试系统还包括激光位移传感器，设置在丝杠II的轴端，固接在台体上，并通过线路与测试柜连接。
8.根据权利要求3-7之一所述的伺服进给机构性能测试试验装置，其特征在于，所述测试柜通过线路与控制计算机IPC连接。
9.根据权利要求1所述的伺服进给机构性能测试试验装置，其特征在于，所述台体通过地脚螺栓支撑在地面上，所述导轨通过螺栓固定在台体上，所述导轨的端部设有撞块，撞块通过撞块座固定在台体上。
10.一种利用伺服进给机构性能测试试验装置进行测试的方法，其特征在于，检测被测工作台在无力情况下的各参数时，数控系统控制电气柜启动伺服电机II，伺服电机II通过联轴器II带动丝杠II运动从而通过丝母II驱动被测工作台运动；扭矩传感器检测伺服电机II传递给丝杠II的扭矩值；磁式温度传感器检测轴承支座IV、被测工作台和丝母II的温度值；红外传感器检测丝杠II的温度分布；激光位移传感器检测丝杠II的热伸长量；检测被测工作台在受力情况下的各参数时，将连接座与被测工作台连接，数控系统控制电气柜启动伺服电机I，伺服电机I通过联轴器I带动丝杠I运动从而通过丝母I控制施力工作台运动；压力传感器检测施力工作台作用在被测工作台的压力值，扭矩传感器检测伺服电机II传递给丝杠II的扭矩值；磁式温度传感器检测轴承支座IV、被测工作台和丝母II的温度值；红外传感器检测丝杠II的温度分布；激光位移传感器检测丝杠II的热伸长量。
【文档编号】G01M99/00GK104006982SQ201410244810
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月4日 优先权日:2014年6月4日
【发明者】刘阔, 吴玉亮, 李焱, 于文东, 谭智, 李鹏 申请人:沈阳机床(集团)有限责任公司
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