[发明专利]精密伺服线性驱动系统性能试验装置及其试验方法

说明书

技术领域

本发明是一种精密伺服线性驱动系统性能试验装置，特别涉及一种能够模拟高档数控机床的线性(直线)进给系统工作状态，在承受各种工作载荷、工作阻力、速度、加速度等情况下，能够开展精密伺服旋转电机及其控制单元的驱动性能试验和参数测量，甚至能对相关零部件、某些关键结构进行技术性能以及工作性能指标评定的试验装置。

背景技术

作为装备制造业核心的数控机床正向高速、高效、高精度、智能化、复合化、环保化方向发展。数控机床的伺服驱动系统一般由驱动控制单元、驱动单元、机械传动单元、执行元件和检测反馈环节等组成。在各种数控机械装备当中，除了某些超高速的场合用到AC直线电动机以外，仍大量采用由旋转电机带动滚珠丝杠转动，然后由滚珠螺母带动工作台等执行构件做直线运动的伺服驱动方式。

进行伺服驱动系统设计定型过程中，各组成单元的确定原则有所不同。执行元件和检测反馈环节如精度、速度、加速度等指标由工作的功能决定，在设计选型中为自变量。机械传动单元的选型取决于数控机床的伺服驱动的工作性能要求，但一般滚珠丝杠螺母副等机械传动单元的性能适应域度很宽，因此只对滚珠丝杠螺母副进行运动性能考核已基本足够。由于数控机床的动作由伺服电机驱动，因此必须按照数控机床对伺服电机及其伺服驱动控制单元提出的高要求，进行设计和选型。数控机床对伺服线性驱动系统的性能要求如下：

1.精度高。为了保证移动部件的位置精度和轮廓加工精度，要求有足够的精度，而且在负载或工作阻力变化时有强的抗干扰能力，能够保持位置精确、速度恒定。

2.响应快。快速响应是伺服系统的动态性能，反映了系统的跟踪精度，要求超调量小。目前数控机床的插补时间都在20ms以下，在如此短的指令变化时间内，要求伺服电机迅速加减速。

3.调速范围宽。目前数控机床要求进给伺服系统的调速范围一般是0-40m/min，有的已达到240m/min。除了滚珠丝杠螺母副和减速器起到减速变速作用外，伺服电机要有更宽的调速范围。

4.大转矩。机床高速进给时，能带动必要的载荷实现加速启动，停机前能快速急停。机床低速切削时，切深和进给量都较大，受到的阻抗力很大。现代的数控机床，很多采用伺服电机与滚珠丝杠联轴器直联，这就要求进给电机能输出足够大的转矩。

5.伺服刚度高。伺服刚度是指整个伺服系统，在受到扭矩、弯矩、切削力、惯性力等外载荷的作用下，在规定的方向不产生位置偏差的能力，包括有静态伺服刚度和动态伺服刚度。

6.惯量匹配。移动部件加速和减速时都有较大的惯量，由于要求系统的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量匹配，通常要求驱动电机的惯量不小于所有运动部件的惯量之和。

7.抗过载能力强。由于电机加减速时要求有很快的响应速度，这时电机可能在过载的条件下工作，因此要求电机有很强的抗过载能力。通常要求在数分钟内过载4-6倍也不损坏。

随着现代数控机床的发展，为了实现高精度高效率的加工能力，一方面要求伺服驱动系统反应快，快速准确启停，缩短准备时间；另一方面还要求运动过程平稳，冲击小，在高速运行时，能实现平滑控制，以防止产生高速运行中的冲击和振动。再比如在龙门横梁移动型高速数控铣床中，当龙门跨距大于2m时，必须采用双边同步系统驱动。对于主轴及主轴箱较重型的机床，双边同步随动驱动系统采用主从式交叉反馈原理控制，一般应使得双边的跟随误差小于0.01mm。因此开展双边同步驱动技术试验同样有重要现实意义。

目前，我国伺服驱动系统行业还没有专门的驱动性能试验装置，无法建立行业标准，难以形成我国自主的伺服系统(含主轴)产品的性能表达和评价方法。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种能对驱动系统的工作性能进行检测，能够通过单因素法试验，验证各因素对系统综合技术性能产生影响的精密伺服线性驱动系统性能试验装置。本发明有助于推动行业标准的建立，有助于形成伺服系统产品的性能表达和评价方法。