專利名稱：精密伺服線性驅動系統性能試驗裝置及其試驗方法
技術領域：
本發明是一種精密伺服線性驅動系統性能試驗裝置及其試驗方法，特別 涉及一種能夠模擬高檔數控機床的線性(直線)進給系統工作狀態，在承受 各種工作載荷、工作阻力、速度、加速度等情況下，能夠開展精密伺服旋轉 電機及其控制單元的驅動性能試驗和參數測量，甚至能對相關零部件、某些 關鍵結構進行技術性能以及工作性能指標評定的試驗裝置及其試驗方法。
背景技術：
作為裝備制造業核心的數控機床正向高速、高效、高精度、智能化、復 合化、環保化方向發展。數控機床的伺服驅動系統一般由驅動控制單元、驅 動單元、機械傳動單元、執行元件和檢測反饋環節等組成。在各種數控機械
裝備當中，除了某些超高速的場合用到AC直線電動機以外，仍大量采用由 旋轉電機帶動滾珠絲杠轉動，然后由滾珠螺母帶動工作臺等執行構件做直線 運動的伺服驅動方式。
進行伺服驅動系統設計定型過程中，各組成單元的確定原則有所不同。 執行元件和檢測反饋環節如精度、速度、加速度等指標由工作的功能決定， 在設計選型中為自變量。機械傳動單元的選型取決于數控機床的伺服驅動的 工作性能要求，但一般滾珠絲杠螺母副等機械傳動單元的性能適應域度很 寬，因此只對滾珠絲杠螺母副進行運動性能考核已基本足夠。由于數控機床 的動作由伺服電機驅動，因此必須按照數控機床對伺服電機及其伺服驅動控 制單元提出的高要求，進行設計和選型。數控機床對伺服線性驅動系統的性能要求如下
1. 精度高。為了保證移動部件的位置精度和輪廓加工精度，要求有足夠 的精度，而且在負載或工作阻力變化時有強的抗干擾能力，能夠保持位置精 確、速度恒定。
2. 響應快。快速響應是伺服系統的動態性能，反映了系統的跟蹤精度， 要求超調量小。目前數控機床的插補時間都在20ms以下，在如此短的指令 變化時間內，要求伺服電機迅速加減速。
3. 調速范圍寬。目前數控機床要求進給伺服系統的調速范圍一般是0— 40m/min,有的已達到240m/min。除了滾珠絲杠螺母副和減速器起到減速變 速作用外，伺服電機要有更寬的調速范圍。
4. 大轉矩。機床高速進給時，能帶動必要的載荷實現加速啟動，停機前 能快速急停。機床低速切削時，切深和進給量都較大，受到的阻抗力很大。 現代的數控機床，很多釆用伺服電機與滾珠絲杠聯軸器直聯，這就要求進給 電機能輸出足夠大的轉矩。
5. 伺服剛度高。伺服剛度是指整個伺服系統，在受到扭矩、彎矩、切削 力、慣性力等外載荷的作用下，在規定的方向不產生位置偏差的能力，包括 有靜態伺服剛度和動態伺服剛度。
6. 慣量匹配。移動部件加速和減速時都有較大的慣量，由于要求系統的 快速響應性能好，因而電動機的慣量要與移動部件的慣量匹配，通常要求驅 動電機的慣量不小于所有運動部件的慣量之和。
7. 抗過載能力強。由于電機加減速時要求有很快的響應速度，這時電機 可能在過載的條件下工作，因此要求電機有很強的抗過載能力。通常要求在 數分鐘內過載4一6倍也不損壞。
隨著現代數控機床的發展，為了實現高精度高效率的加工能力， 一方面 要求伺服驅動系統反應快，快速準確啟停，縮短準備時間；另一方面還要求運動過程平穩，沖擊小，在高速運行時，能實現平滑控制，-以防止產生高速 運行中的沖擊和振動。再比如在龍門橫梁移動型高速數控銑床中，當龍門跨
距大于2m時，必須采用雙邊同步系統驅動。對于主軸及主軸箱較重型的機 床，雙邊同步隨動驅動系統釆用主從式交叉反饋原理控制， 一般應使得雙邊 的跟隨誤差小于0. Olmm。因此開展雙邊同步驅動技術試驗同樣有重要現實意 義。
目前，我國伺服驅動系統行業還沒有專門的驅動性能試驗裝置，無法建 立行業標準，難以形成我國自主的伺服系統(含主軸)產品的性能表達和評 價方法。
發明內容
本發明的目的在于考慮上述問題而提供一種能對驅動系統的工作性能 進行檢測，能夠通過單因素法試驗，驗證各因素對系統綜合技術性能產生影 響的精密伺服線性驅動系統性能試驗裝置。本發明有助于推動行業標準的建 立，有助于形成伺服系統產品的性能表達和評價方法。
本發明的另一目的在于提供一種簡單方便的精密伺服線性驅動系統性 能的試驗方法。
本發明的技術方案是包括有床腳及支承在床腳上的床身，其中床身上 安裝有主絲桿導軌副及副絲桿導軌副，主伺服電機及副伺服電機分別裝設在 主伺服電機安裝座及副伺服電機安裝座上，并分別通過聯軸器與主絲桿導軌 副及副絲桿導軌副的絲桿連接，工作臺及副工作臺分別裝設在床身的兩側， 驅動工作臺及副工作臺運動的主絲桿導軌副及副絲桿導軌副中的絲桿螺母 固緊在工作臺和副工作臺的下面，工作臺上能安放各種質量大小的載荷，作 為位置反饋傳感器的第一直線位移光柵尺的動子與工作臺固緊，作為位置反 饋傳感器的第二直線位移光柵尺的動子與副工作臺固緊，第一直線位移光柵 尺及第二直線位移光柵尺的信號輸出端與試驗裝置的控制器連接，第一直線位移光柵尺及第二直線位移光柵尺與上述主驅動單元和副驅動單元分別組 成全閉環精密伺服驅動系統。
上述主伺服電機及副伺服電機與聯軸器之間及聯軸器與絲桿之間以及 絲桿與絲桿螺母之間全部經過消除間隙處理。
上述副工作臺上安裝有模擬主軸，模擬主軸上能安裝便于做位置精度測 量的測量基準。
上述副工作臺能與工作臺固定聯結，能進行聯合驅動，或與工作臺脫開 聯結，進行分別驅動控制。
上述第一直線位移光柵尺及第二直線位移光柵尺為精密直線位移光柵尺。
上述在試驗臺床身的 一端固定用于模擬切削阻力的阻力器。 上述阻力器為液壓力裝置，或是氣壓力裝置。
.t述阻力器由缸簡和活塞組成，缸筒的進油口通過單向閥與油泵連接， 且缸筒的進油口與單向閥之間連接有壓力調壓閥及壓力表。
本發明精密伺服線性驅動系統性能試驗裝置的試驗方法，其能進行如下
實驗
1) 在工作臺上安放各種質量大小的載荷的結構，模擬所要驅動的工件，然 后以各種設定的速度和加速度驅動工作臺，通過精確測量工作臺的定位精 度和運行精度，評定伺服系統的性能，進行伺服旋轉電機及其控制單元的 驅動性能試驗和參數測試；
2) 在各種設定條件下對系統的各組成環節進行技術評定，其具體為伺服 驅動系統中的驅動控制單元、機械傳動單元、執行元件和檢測反饋環節不 變的情況下，更換不同的被測伺服電機，從而評定伺服電機產品技術指標， 提供性能表達和評價方法依據。
3) 當工作臺與副工作臺固定聯結，可進行聯合驅動試驗，當工作臺與副工作臺脫開聯結，而且在各工作臺上載荷不同的情況下由主伺服驅動系統和 副伺服驅動單元系統分別驅動控制，通過精密檢測，進行同步驅動性能試 驗。
4)在上述試驗項目的基礎上，通過施加阻力器進行如下試驗
① 工作臺以工作進給速度推動阻力器活塞，檢測工作臺的進給精度；
② 工作臺被伺服鎖死不動，由阻力器活塞施力于工作臺，檢測伺服系 統剛性；
③ 阻力器活塞施加能推動工作臺的最大作用力，檢測伺服系統的最大 輸出推力。
通過本發明裝置和試驗方法，能夠開展精密伺服旋轉電機及其控制單元 的驅動性能試驗和參數測量，并且在各種設定條件下對系統的各組成環節進 行技術性能評定。本發明是一種設計巧妙，性能優良，方便實用的精密伺服 線性驅動系統性能試驗裝置及其試驗方法。
圖l為本發明的結構示意圖； 圖2為本發明阻力器的原理圖。
具體實施例方式
實施例
本發明的結構示意圖如圖1、 2所示，包括有床腳12及支承在床腳12 上的床身1，其中床身1上安裝有主絲桿導軌副5及副絲桿導軌副9，主伺 服電機8及副伺服電機8A分別裝設在主伺服電機安裝座7及副伺服電機安 裝座7A上，并分別通過聯軸器與主絲桿導軌副5及副絲桿導軌副9的絲桿 連接，工作臺3及副工作臺IO分別裝設在床身1的兩側，驅動工作臺3及 副工作臺IO運動的主絲桿導軌副5及副絲桿導軌副9中的絲桿螺母固緊在 工作臺3和副工作臺10的下面，工作臺3上能安放各種質量大小的載荷4，作為位置反饋傳感器的第一直線位移光柵尺6的動子與工作臺3固緊，作為 位置反饋傳感器的第二直線位移光柵尺6A的動子與副工作臺IO固緊，第一 直線位移光柵尺6及第二直線位移光柵尺6A的信號輸出端與試驗裝置的控 制器連接，第一直線位移光柵尺6及第二直線位移光柵尺6A與上述主驅動 單元和副驅動單元分別組成全閉環精密伺服驅動系統。選型時根據可能產生 沖擊力的大小選用具備足夠的機械剛性的絲桿導軌副，精度級別與試驗測試 精度相適應。床身l要有足夠的剛性、抗彎性和吸振性；主絲桿導軌副5、 副絲桿導軌副9要具備足夠的機械剛性，工作臺3上可安放各種質量大小的 載荷4，以此模擬所要驅動的工件，伺服電機安裝座作為機械接口可以方便 更換，從而安裝不同被試電機。
上述主伺服電機(8)及副伺服電機(8A)與聯軸器之間及聯軸器與絲 桿之間以及絲桿與絲桿螺母之間全部經過消除間隙處理。
上述試驗裝置的控制器為數字控制器。
本實施例中，上述副工作臺10上還安裝有模擬主軸11，模擬主軸11 上能安裝便于做位置精度測量的測量基準。上述副工作臺10能與工作臺3 固定聯結，進行聯合驅動試驗，或與工作臺3脫開聯結，由主伺服驅動系統 和副伺服驅動單元系統分別驅動控制，進行同步驅動試驗。在模擬主軸上容 易安裝測量基準，便于做位置精度測量；因為在類似于龍門橫梁移動型高速 數控銑床中，當龍門跨距大于2m時，必須采用雙邊同步系統驅動。對于主 軸及主軸箱較重型的機床，雙邊同步隨動系統釆用主從式交叉反饋原理進行 控制， 一般所控制的跟隨誤差要求小于0.01mm。
本實施例中，上述第一直線位移光柵尺6及第二直線位移光柵尺6A為 精密直線位移光柵尺。
上述在試驗臺床身1的一端固定用于模擬切削阻力的阻力器2。上述阻 力器2為液壓力裝置，或是氣壓力裝置。本實施例中，上述阻力器2由缸簡和活塞組成，缸簡的進油口通過單向閥14與油泵16連接，且缸簡的進油口 與單向閥"之間連接有壓力調壓閥15及壓力表13。通過壓力調壓閥15預 先設定壓力的大小，從而調節施加在工作臺上阻力的大小。
本發明精密伺服線性驅動系統性能試驗裝置的試驗方法，其能進行如下 實驗
1) 在工作臺上安放各種質量大小的載荷的結構，模擬所要驅動的工件，然 后以各種設定的速度和加速度驅動工作臺，通過精確測量工作臺的定位精 度和運行精度，評定伺服系統的性能，進行伺服旋轉電機及其控制單元的 驅動性能試驗和參數測試；
2) 在各種設定條件下對系統的各組成環節進行技術評定，其具體為伺服 驅動系統中的驅動控制單元、機械傳動單元、執行元件和檢測反饋環節不 變的情況下，更換不同的被測伺服電機，從而評定伺服電機產品技術指標， 提供性能表達和評價方法依據。
3) 在上述試驗項目的基礎上，本發明精密伺服線性驅動系統性能試驗裝置 可通過阻力器能進行如下實驗
① 工作臺3以工作進給速度推動阻力器活塞，檢測工作臺進給精度；
② 工作臺被伺服鎖死不動，由阻力器活塞施力于工作臺，檢測伺服系 統剛性；
③ 阻力器活塞施加能推動工作臺的最大作用力，檢測伺服系統的最大 輸出推力。
通過本發明裝置和上述試驗方法，能夠開展精密伺服旋轉電機及其控制單元 的驅動性能試驗和參數測量，并且在各種設定條件下對系統的各組成環節進 行技術評定。例如，伺服驅動系統中的驅動控制單元、機械傳動單元、執行 元件和檢測反饋環節等不變的情況下，而更換不同的被測伺服電機，從而評 定伺服電機產品技術指標，提供性能表達和評價方法依據。
權利要求
1、一種精密伺服線性驅動系統性能試驗裝置，包括有床腳(12)及支承在床腳(12)上的床身(1)，其特征在于床身(1)上安裝有主絲桿導軌副(5)及副絲桿導軌副(9)，主伺服電機(8)及副伺服電機(8A)分別裝設在主伺服電機安裝座(7)及副伺服電機安裝座(7A)上，并分別通過聯軸器與主絲桿導軌副(5)及副絲桿導軌副(9)的絲桿連接，工作臺(3)及副工作臺(10)分別裝設在床身(1)的兩側，驅動工作臺(3)及副工作臺(10)運動的主絲桿導軌副(5)及副絲桿導軌副(9)中的絲桿螺母固緊在工作臺(3)和副工作臺(10)的下面，工作臺(3)上能安放各種質量大小的載荷(4)，作為位置反饋傳感器的第一直線位移光柵尺(6)的動子與工作臺(3)固緊，作為位置反饋傳感器的第二直線位移光柵尺(6A)的動子與副工作臺(10)固緊，第一直線位移光柵尺(6)及第二直線位移光柵尺(6A)的信號輸出端與試驗裝置的控制器連接，第一直線位移光柵尺(6)及第二直線位移光柵尺(6A)與上述主驅動單元和副驅動單元分別組成全閉環精密伺服驅動系統。
2、 根據權利要求l所述的精密伺服線性驅動系統性能試驗裝置，其特征 在于上述主伺服電機(8)及副伺服電機(8A)與聯軸器之間及聯軸器與絲桿 之間以及絲桿與絲桿螺母之間全部經過消除間隙處理。
3、 根據權利要求l所述的精密伺服線性驅動系統性能試驗裝置，其特征 在于上述副工作臺(10)上安裝有模擬主軸(11),模擬主軸(11)上能安裝 便于做位置精度測量的測量基準。
4、 根據權利要求3所述的精密伺服線性驅動系統性能試驗裝置，其特征 在于上述副工作臺(10)能與工作臺(3)固定聯結，能進行聯合驅動，或與 工作臺(3)脫開聯結，進行分別驅動控制。
5、 根據權利要求l所述的精密伺服線性驅動系統性能試驗裝置，其特征 在于上述第一直線位移光柵尺(6)及第二直線位移光柵尺(6A)為精密直線 位移光柵尺。
6、 根據權利要求1至5任一項所述的精密伺服線性驅動系統性能試驗裝 置，其特征在于上述在試驗臺床身(1)的一端固定用于模擬切削阻力的阻力 器(2)。
7、 根據權利要求6所述的精密伺服線性驅動系統性能試驗裝置，其特征 在于上述阻力器(2)為液壓力裝置，或是氣壓力裝置。
8、 根據權利要求7所述的精密伺服線性驅動系統性能試驗裝置，其特征 在于上述阻力器(2)由缸簡和活塞(17)組成，缸筒的進油口通過單向閥(14) 與油泵(16)連接，且缸簡的進油口與單向閥(14)之間連接有壓力調壓閥(15) 及壓力表(13)。
9、 根據權利要求6所述的精密伺服線性驅動系統性能試驗裝置的試驗方 法，其特征在于能進行如下實驗1) 在工作臺上安放各種質量大小的載荷的結構，模擬所要驅動的工件， 然后以各種設定的速度和加速度驅動工作臺，通過精確測量工作臺的定 位精度和運行精度，評定伺服系統的性能，進行伺服旋轉電機及其控制 單元的驅動性能試驗和參數測試；2) 在各種設定條件下對系統的各組成環節進行技術評定，其具體為伺 服驅動系統中的驅動控制單元、機械傳動單元、執行元件和檢測反饋環 節不變的情況下，更換不同的被測伺服電機，從而評定伺服電機產品技 術指標，提供性能表達和評價方法依據。3) 當工作臺(3)與副工作臺(10)固定聯結，可進行聯合驅動試驗，當工作臺(3)與副工作臺(IO)脫開聯結，而且在各工作臺上載荷不同的 情況下由主伺服驅動系統和副伺服驅動單元系統分別驅動控制，通過精 密檢測，進行同步驅動性能試驗。 4)在上述試驗項目的基礎上，通過施加阻力器進行如下試驗① 工作臺(3)以工作進給速度推動阻力器活塞，檢測工作臺的進給精度;② 工作臺被伺服鎖死不動，由阻力器活塞施力于工作臺，檢測伺服系統 剛性；③ 阻力器活塞施加能推動工作臺的最大作用力，檢測伺服系統的最大輸 出推力。
全文摘要
本發明是一種精密伺服線性驅動系統性能試驗裝置及試驗方法。包括有床腳及支承在床腳上的床身，其中床身上安裝有主絲桿導軌副及副絲桿導軌副，主伺服電機及副伺服電機分別通過聯軸器與主絲桿導軌副及副絲桿導軌副的絲桿連接，工作臺及副工作臺分別裝設在床身的兩側，主絲桿導軌副及副絲桿導軌副中的絲桿螺母固緊在工作臺和副工作臺的下面，工作臺上能安放各種質量大小的載荷，第一直線位移光柵尺的動子與工作臺固緊，第二直線位移光柵尺的動子與副工作臺固緊，第一直線位移光柵尺及第二直線位移光柵尺的信號輸出端與試驗裝置的控制器連接，且與上述主驅動單元和副驅動單元分別組成全閉環精密伺服驅動系統。本發明能夠模擬各種工作狀況開展精密伺服旋轉電機及其控制單元的驅動性能試驗和參數測量，并且在各種設定條件下對系統的各組成環節進行技術評定。
文檔編號G01M99/00GK101414185SQ20081021930
公開日2009年4月22日 申請日期2008年11月21日 優先權日2008年11月21日
發明者曾岳南, 李鍛能, 云 章 申請人:廣東工業大學