專利名稱：用于數(shù)控系統(tǒng)性能參數(shù)測試的單一負載盤主軸加載方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)控系統(tǒng)性能參數(shù)測試試驗的技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種用于數(shù)控系統(tǒng)性能參數(shù)測試的單一負載盤主軸加載方法，該加載方法可以簡單方便地實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)工況下的受載情況。
背景技術(shù)：
數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床的可靠性水平，對數(shù)控裝備正常運行和使用及數(shù)控生產(chǎn)廠商提高產(chǎn)品技術(shù)水平和產(chǎn)品競爭力均有著至關(guān)重要的作用。數(shù)控系統(tǒng)可靠性試驗測試是在可靠性工程理論指導下，按國家相關(guān)標準和規(guī)范，并結(jié)合數(shù)控機床應(yīng)用特點，通過實際試驗測試的方法，為了獲取數(shù)控系統(tǒng)運行時，能夠反映數(shù)控系統(tǒng)可靠性的平均故障間隔時間MTBF、 故障信息以及運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，在實驗室條件下模擬實際工作的環(huán)境，對被測系統(tǒng)施加和實際工況相對應(yīng)的負載，即通過加負載盤實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)實際工況下的加載。目前，負載模擬裝置一般采用的加載方式大致是電流伺服裝置加載、電磁加載和電機加載等。電液伺服加載主要優(yōu)點是可實現(xiàn)連續(xù)加載，且頻帶較寬，輸出負載力矩大，但存在液壓源體積大、功耗和噪聲大，容易產(chǎn)生多余力矩等缺點。電磁加載設(shè)備主要有測功機和磁粉制動器等，主要優(yōu)點是轉(zhuǎn)速范圍寬，控制方便，制動力巨大，可實現(xiàn)自動化操作等，缺點是存在低速時加不上載荷的現(xiàn)象，不可連續(xù)加載，容易出現(xiàn)磁路飽和磁滯效應(yīng)，使得力矩與電流并不是嚴格的線形關(guān)系。電機加載設(shè)備目前主要采用直流電機或力矩電機，直流電機作為加載元件主要存在電樞電流大，功率損失大，以及換向器的問題。采用力矩電機作為加載元件，能夠提高較寬范圍力矩，響應(yīng)速度較快，但速度范圍有限，不能主動拖動被測元件，操作復(fù)雜，負載裝置側(cè)的能量主要以熱能的方式耗掉?？傊?，上述加載方式優(yōu)缺點并存， 均不是一些理想的加載方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于本發(fā)明基于簡單方便地前提下，介紹一種用于數(shù)控系統(tǒng)性能參數(shù)測試的單一負載盤主軸加載方法；通過在電機主軸端加一定質(zhì)量、尺寸的負載盤，對被測系統(tǒng)施加和實際工況相對應(yīng)的負載，在實驗室條件下實現(xiàn)電機在實際工作時的受載，即電機在恒轉(zhuǎn)矩段、恒功率段的受載情況，完成數(shù)控系統(tǒng)的可靠性測試。本發(fā)明的為了達到上述目的采用的技術(shù)方案為一種用于數(shù)控系統(tǒng)性能參數(shù)測試的單一負載盤主軸加載方法，該方法在數(shù)控系統(tǒng)電機主軸端加載一定質(zhì)量、尺寸的負載盤， 通過在數(shù)控系統(tǒng)編寫G指令，進而可以在改變電機加速度和扭矩的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)實際工況下的受載情況，對于某一種尺寸的負載盤，實現(xiàn)電機在恒轉(zhuǎn)矩段、恒功率段的加載情況。進一步的，所用的負載盤均為勻質(zhì)圓盤，根據(jù)電機轉(zhuǎn)矩與功率之間的關(guān)系式和電機轉(zhuǎn)矩平衡方程計算出電機電磁轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系；在這里，總的轉(zhuǎn)動慣量包括兩個部分，一個是電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，一個是負載轉(zhuǎn)動慣量，對于電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，可以查看電機的參數(shù)說明書，而對于負載轉(zhuǎn)動慣量，考慮實際情況和方便計算，取負載轉(zhuǎn)動慣量為電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的2 3倍。本發(fā)明的原理為本發(fā)明首先查看電機主軸參數(shù)，設(shè)計和電機主軸配套的、一定質(zhì)量、尺寸的勻質(zhì)圓盤，根據(jù)電機轉(zhuǎn)矩與功率之間的關(guān)系式和電機轉(zhuǎn)矩平衡方程計算出電機電磁轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系；在這里，總的轉(zhuǎn)動慣量包括兩個部分，一個是電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，一個是負載轉(zhuǎn)動慣量，對于電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，可以查看電機的參數(shù)說明書，而對于負載轉(zhuǎn)動慣量， 考慮實際情況和方便計算，取負載轉(zhuǎn)動慣量為電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的2 3倍。其次通過在數(shù)控系統(tǒng)編寫G指令，進而可以在改變電機加速度和扭矩的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)實際工況下的受載情況，對于某一種尺寸的負載盤，我們實現(xiàn)電機在恒轉(zhuǎn)矩段、恒功率段的加載情況。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于1、本發(fā)明最突出的優(yōu)點就是能簡單方便地實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)實際工況下的受載情況。 在實際的數(shù)控系統(tǒng)加工車間中，當利用數(shù)控系統(tǒng)進行加工時，數(shù)控系統(tǒng)刀具端受到的力可能是變化的，這樣轉(zhuǎn)換到電機時受到的扭矩也是變化。本發(fā)明就可以簡單方便地模擬這種情況，當把一定質(zhì)量、尺寸的勻質(zhì)圓盤加到電機主軸端時，通過G指令代碼控制電機不停的改變速度，這樣電機主軸端受到的扭矩就是變化的，便可模擬數(shù)控系統(tǒng)實際工況下的受載情況。2、本發(fā)明直接在數(shù)控系統(tǒng)電機主軸端加負載盤，更接近于數(shù)控系統(tǒng)實際工況下的受載情況，獲得的性能參數(shù)更能反映出數(shù)控系統(tǒng)的可靠性測試情況。


圖1表示數(shù)控系統(tǒng)性能參數(shù)測試的流程圖；圖2為某一勻質(zhì)圓盤的具體尺寸。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及本發(fā)明的具體實施方式
具體說明本發(fā)明。本發(fā)明公開一種用于數(shù)控系統(tǒng)性能參數(shù)測試的單一負載盤主軸加載方法，也可以說是一種實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)工況加載的簡易方法，利用該方法可以方便簡單的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)在實際運行工況下的載荷情況。在數(shù)控系統(tǒng)電機主軸端加載一定質(zhì)量、尺寸的負載盤，在改變電機的加速度和扭矩基礎(chǔ)上，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)實際工況下的受載情況；對于某一種尺寸的負載盤，我們實現(xiàn)電機主軸在恒轉(zhuǎn)矩段和恒功率段的加載情況，進而實現(xiàn)對數(shù)控系統(tǒng)的可靠性測試。在數(shù)控系統(tǒng)中，一般通過在數(shù)控系統(tǒng)中編寫一定的G指令，設(shè)定轉(zhuǎn)速實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速改變，在本加載試驗方法中，負載盤是唯一負載，因此必須通過頻繁設(shè)定轉(zhuǎn)速才能實現(xiàn)電機在實際運行過程中的受載情況，在某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下工作是不能實現(xiàn)加載的；在實驗過程中，我們采用連續(xù)變速實現(xiàn)電機在實際運行過程中的受載。一般情況下，電機的工作機制為Sl S10，工作制的分類是對電機承受負載情況的說明，它包括啟動、電制動、空載、斷能停轉(zhuǎn)以及這些階段的持續(xù)時間和先后順序。在該加載實驗中，分析電機在Sl工作制中的恒轉(zhuǎn)矩段、恒功率段的加載情況。在恒轉(zhuǎn)矩段，考慮設(shè)計余度，實際上限轉(zhuǎn)矩取為額定轉(zhuǎn)矩。查看數(shù)控系統(tǒng)里已經(jīng)選擇電機的性能參數(shù)，包括電機額定功率Pn、額定轉(zhuǎn)矩Tn、額定轉(zhuǎn)速nn、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量Jt等參數(shù)，根據(jù)電機轉(zhuǎn)矩平衡方程Te = T0+TL+J · dw/dt (總轉(zhuǎn)動慣量J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量和負載轉(zhuǎn)動慣量之和，即J = JdJ1，本實驗方式下，Tl = 0，T0 = 0，取J1 = 2Jt)，計算出電機從0加速到額定轉(zhuǎn)速所需的時間；由于是恒轉(zhuǎn)矩加載，所以電機主軸工作在恒加速度狀態(tài)，在相同時間段內(nèi)，電機轉(zhuǎn)速的變化大小是相同的；進而在已知數(shù)控系統(tǒng)控制周期的前提下，可以計算出每段加載轉(zhuǎn)速變化的大小。在恒功率段，電機功率保持不變，考慮設(shè)計余度，實際上限功率取為額定功率，而對于負載功率，我們也取為額定功率；由于在恒功率段，電機主軸工作在變加(減)速狀態(tài)； 因此，在相同時間段內(nèi)，電機轉(zhuǎn)速的變化大小是不同的，為了得到恒功率段電機主軸的加載時間，我們可以綜合電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系式Tn = 9550Pn/nn和電機轉(zhuǎn)矩平衡方程Te =T0+TL+J · dw/dt，通過積分求得恒功率段電機主軸的加載時間。圖1表示用于數(shù)控系統(tǒng)性能參數(shù)測試的單一負載盤主軸加載試驗方法的流程圖， 首先我們編寫與測試項目相關(guān)的G代碼指令，經(jīng)PLC到電機驅(qū)動器，進而控制電機旋轉(zhuǎn)；由于電機主軸加有負載盤，所以當電機加速度改變或者轉(zhuǎn)矩改變時，即可以實現(xiàn)電機在恒功率段或者恒轉(zhuǎn)矩段的實際受載情況。電機主軸負載變化時，會通過PLC反饋到數(shù)控系統(tǒng)，這樣可以利用采集模塊采集數(shù)控系統(tǒng)的PLC信號，由于這些信號是電機在實際受載情況下的反饋信號，因此它的正常與否可以反映數(shù)控系統(tǒng)的可靠性，進而可以實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的可靠性測試。如圖2所示本實施例的某一勻質(zhì)圓盤的具體尺寸。在該實驗中，我們選取圓盤的材料為鋼，根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量J1 = 0. 77D4LX10_12kgm2，可以計算得到勻質(zhì)圓盤的具體尺寸。當我們把一定質(zhì)量、尺寸的負載盤加載到電機主軸時，需要對數(shù)控系統(tǒng)做一些能夠反映數(shù)控系統(tǒng)可靠性的測試項目，主要包括主軸加速測試(主軸轉(zhuǎn)速從0開始在2秒內(nèi)加速到最大允許速度的90% )、主軸減速測試(主軸從極速的90%開始減速，在2秒內(nèi)減速至0)、主軸極速測試(主軸在0. 5秒內(nèi)從極速的90%加速至極速，并在極速狀態(tài)下運行 1秒，然后在0. 5秒內(nèi)從極速狀態(tài)減速至極速的90% )、過載測試(讓數(shù)控系統(tǒng)在過載狀態(tài)下持續(xù)運行5秒)等等，通過這些測試項目，能使整個數(shù)控系統(tǒng)的受載情況更接近于數(shù)控系統(tǒng)在實際加工車間的受載情況，在足夠長時間運行的條件下，完成數(shù)控系統(tǒng)的可靠性測試。本發(fā)明未詳細闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種用于數(shù)控系統(tǒng)性能參數(shù)測試的單一負載盤主軸加載方法，其特征在于在數(shù)控系統(tǒng)電機主軸端加載一定質(zhì)量、尺寸的負載盤，通過在數(shù)控系統(tǒng)編寫G指令，進而可以在改變電機加速度和扭矩的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)實際工況下的受載情況，對于某一種尺寸的負載盤，實現(xiàn)電機在恒轉(zhuǎn)矩段、恒功率段的加載情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于數(shù)控系統(tǒng)性能參數(shù)測試的單一負載盤主軸加載方法，其特征在于所用的負載盤均為勻質(zhì)圓盤，根據(jù)電機轉(zhuǎn)矩與功率之間的關(guān)系式和電機轉(zhuǎn)矩平衡方程計算出電機電磁轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系；在這里，總的轉(zhuǎn)動慣量包括兩個部分，一個是電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，一個是負載轉(zhuǎn)動慣量，對于電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，可以查看電機的參數(shù)說明書，而對于負載轉(zhuǎn)動慣量，考慮實際情況和方便計算，取負載轉(zhuǎn)動慣量為電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的2 3倍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于數(shù)控系統(tǒng)性能參數(shù)測試的單一負載盤主軸加載方法，該加載方法的設(shè)計原理是基于在數(shù)控系統(tǒng)電機主軸加載一定質(zhì)量、尺寸的勻質(zhì)圓盤，并在數(shù)控系統(tǒng)中編寫G代碼，可以方便簡單地實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)在運行工況下的載荷情況；對于數(shù)控系統(tǒng)電機主軸，分別實現(xiàn)電機在恒轉(zhuǎn)矩段、恒功率段的加載，完成數(shù)控系統(tǒng)的性能參數(shù)測試。本發(fā)明的加載方法可以方便簡單地實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)工況下的受載情況。
文檔編號G05B23/02GK102566563SQ20111042791
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者劉強, 夏繼強, 張傳森, 彭翀, 郇極, 高連生 申請人:北京航空航天大學