一种模拟工况的数控转台试验台载荷加载控制系统及控制方法

摘要

本发明涉及对数控转台承受载荷的模拟加载控制领域，特备涉及一种模拟工况的数控转台试验台载荷加载控制系统及控制方法，其特征在于：包括模拟静态载荷的液压加载系统、模拟动态载荷的激振系统和载荷模拟加载的控制系统。本模拟工况的数控转台试验台载荷加载控制系统及控制方法，可以真实模拟各种工况下待加工工件对数控转台所施加的静态载荷，可以真实模拟不同类型的机床在加工过程中对数控转台所施加的动态载荷，为数控转台的设计，制造，优化实验研究提供有益的参照和第一手数据，有助于提高数控转台的精度和刚度；整个加载控制系统的实现简单、方便易于操作，所需的试验准备周期短，试验成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及对数控转台承受载荷的模拟加载控制领域，特备涉及一种模拟工 况的数控转台试验台载荷加载控制系统及控制方法。

背景技术

高档数控机床与基础制造装备隶属于国家中长期科学和技术发展规划纲要 （2006-2020）提出的七大新兴产业之一高端装备制造产业的范畴。而数控转台 是数控机床的核心功能部件，在铣削、磨削、钻削、镗削等工况下数控转台的 性能高低，将直接影响数控机床及其加工成品的精度，因而生产高精度，低成 本，技术集成度高的数控转台是振兴我国装备制造业的重要前提。

我国自主生产的数控转台在相同结构刚度的前提下，产品较重、载荷较小， 给小型化、机动性带来了很大的困难，国外的数控转台制造商包括我国台湾的 制造商，之所以能生产出精度高、性能优越、寿命长、承载力大的数控转台， 是因为它们都配备了相关整套的高精密试验系统。因此为了研制出质量轻、刚 度高、精度高的数控转台，生产出一种专门检测数控转台综合性能的试验台显 得至关重要，对数控转台的自主产业化和为高档数控机床配套提供支撑，具有 重要意义。

目前，国内绝大数数控转台制造商在检测数控转台关键性能参数时，只能 对数控转台的静态参数进行测量，而对评价数控转台性能最关键的动态参数无 法进行有效的测量，所以直到目前尚没有确定一套对数控转台的性能进行检测 和评价的标准。

故，针对目前检测过程所存在的弊端，实有必要进行研究，以提供一种方 案，解决现有检测过程中所存在的缺陷，避免无法检测在动载荷作用下数控转 台的各性能参数，本发明的模拟工况的数控转台试验台载荷加载控制系统即能 够用于在试验环境下准确真实的模拟数控转台在实际工况中所承受的静态载荷 以及动态载荷，能够方便的检测数控转台的关键性能指标。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种模拟工况的数控转台试验台载 荷加载控制系统及控制方法，用于准确模拟真实工况下数控转台所受到的各种 载荷情况，包括所安放工件产生的静态载荷以及机床在实际工作过程中所产生 的动态载荷。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种模拟工况的数控转台试验台载荷加载控制系统，其特征在于：包括模 拟静态载荷的液压加载系统、模拟动态载荷的激振系统和载荷模拟加载的控制 系统，所述模拟静态载荷的液压加载统包括电机、变量叶片泵、比例减压阀以 及电磁换向阀，并由此组成压力可调可控的液压加载回路；所述模拟动态载荷 的激振系统包括功率放大器、高能激振器和压力传感器；所述载荷模拟加载的 控制系统包括上位机工控机及PLC下位机。

所述模拟静态载荷的液压加载系统还包括油箱、空气过滤器、液位计、吸 油过滤器、高压过滤器、加热器、高压球阀、液位继电器、金属温度计、管式 单向阀、溢流阀、叠加式节流阀、压力表、压力传感器和精密油冷却机，电动 机通过联轴器连接液压油泵旋转，液压油泵通过吸油管路连接油箱，油箱经过 单向阀、溢流阀、高压过滤器、比例减压阀、电液比例换向阀，并经过叠加式 节流阀之后连接至加载液压缸。

所述模拟静态载荷的液压加载系统包括第一液压缸1、第二液压缸2、第三 液压缸3、第一激振器6、第二激振器7和第三激振器8，第一液压缸1、第二 液压缸2、第三液压缸3分别安装在数控转台的轴向、径向以及周向方向，第一 激振器6、第二激振器7和第三激振器8分别设置在数控转台的轴向、径向以及 周向的位置。

一种模拟工况的数控转台试验台载荷加载控制方法，包括以下步骤：

步骤1：通过模拟静态载荷的液压加载系统在数控转台机械本体的轴向、径 向以及周向上分别安装液压缸，利用液压加载回路产生的高压液压油对数控转 台本体三向进行加载，以模拟数控转台在实际切削工况中所承受的静态负载；

步骤2：通过模拟动态载荷的激振系统，按照预先设定的载荷谱，给激振器 下发控制指令，产生对应的激振力，通过三个方向激振器的联合作用来模拟数 控转台在实际切削过程中所受到的动态力；

步骤3：通过载荷模拟加载的控制系统由工控机为上位机及PLC为下位机组 成，上位机对所述控制系统中的PLC下发指令进行控制，以控制所述系统的液 压缸及激振器动作。

所述步骤1具体包括以下步骤：

通过加载液压缸的作用，给予数控转台工作台面加载力，当给予电磁换向 阀施加指令电压信号时，比例换向阀通过改变阀芯位移，改变液压油流向，实 现所述加载液压缸运动方向的控制，当给予比例减压阀施加指令电压信号时， 通过调压弹簧的作用使得减压阀两端的压差发生改变，使得输出的液压油的压 力值发生变换，实现不同工况下的静载荷加载，在转台本体的轴向、径向以及 周向上分别安装液压缸，利用液压回路产生的高压液压油对转台本体三向进行 加载，以模拟转台在实际切削工况中所承受的静态负载。

所述步骤3具体包括以下步骤：

上位机对所述载荷模拟加载的控制系统中的PLC下发指令进行控制，上位 机的控制软件根据实际试验的要求，选择合适的载荷谱并经过处理后对液压加 载系统以及激振器系统发出对应的控制命令信号，并将采集到的反馈信息和载 荷谱进行比较，进行算法补偿，使得静态载荷加载和动态载荷加载尽可能和实 际工况相一致。

一种模拟工况的数控转台试验台载荷加载控制系统，在所述载荷加载控制系 统中，包括用于模拟工件质量静态载荷的液压加载、用于模拟动态载荷的激振 系统以及由工控机与PLC组成的控制系统。所述数控转台试验台平台是模拟工 况的载荷加载控制系统的作用对象，主要由数控转台的机械本体组成，通过模 拟典型工况的加载作用，测试数控转台的动静态关键性能参数。所述模拟静态 载荷的液压加载系统主要由电机、变量叶片泵、比例减压阀以及电磁换向阀组 成的压力可调可控的液压加载回路，在数控转台机械本体的轴向、径向以及周 向上分别安装液压缸，利用液压加载回路产生的高压液压油对数控转台本体三 向进行加载，以模拟数控转台在实际切削工况中所承受的静态负载，所述模拟 动态载荷的激振系统，主要是按照预先设定的载荷谱，给激振器下发控制指令， 产生对应的激振力，通过三个方向激振器的联合作用来模拟数控转台在实际切 削过程中所受到的动态力，所述控制系统由工控机为上位机及PLC为下位机组 成，上位机对所述控制系统中的PLC下发指令进行控制，以控制所述系统的液 压缸及激振器动作。

本发明的有益效果如下:

本发明涉及一种用于数控转台的型式试验和模拟试验，可模拟工况的的载荷 加载控制系统。该载荷加载控制系统包括用于模拟静态载荷的液压加载系统、 用于模拟动态载荷的激振加载系统以及由工控机与PLC组成的控制系统。所述 数控转台试验台平台是模拟工况的载荷加载控制系统的作用对象，其主要由数 控转台的机械本体组成。所述模拟静态载荷的液压加载系统主要由电机、变量 叶片泵、比例减压阀以及电磁换向阀组成的压力可调可控的液压加载回路，在 数控转台机械本体的轴向、径向以及周向上分别安装液压缸，利用液压加载回 路产生的高压液压油对数控转台本体三向进行静态加载，以模拟数控转台在实 际切削工况中所承受的静态负载，所述模拟动态载荷的激振加载系统，从PC机 按照预先设定的载荷谱，给激振器下发控制指令，产生对应的激振力，通过三 个方向激振联合作用来模拟数控转台在实际切削过程中所受到的动态力，所述 控制系统由工控机及PLC组成，上位机对所述控制系统中的PLC进行指令下发 控制，以控制所述系统的液压缸及激振器动作。本发明的优势为：需进行数控 转台性能测试的单位或部门不需要配置具体的机床来进行实际加工切削，只需 设置不同切削工况下的载荷谱便可复现不同工况的作用力，模拟工况载荷的实 现可以有效减少资源的消耗并降低试验成本。

使用本发明所述的模拟工况的数控转台试验台载荷加载控制系统，可以真实 模拟各种工况下待加工工件对数控转台所施加的静态载荷，可以真实模拟不同 类型的机床在加工过程中对数控转台所施加的动态载荷，为数控转台的设计， 制造，优化实验研究提供有益的参照和第一手数据，有助于提高数控转台的精 度和刚度；整个加载控制系统的实现简单、方便易于操作，所需的试验准备周 期短，试验成本低，并且载荷加载控制系统的柔性化程度高，只需调用不同类 型的机床在不同工况下的载荷谱即可实现不同工况下载荷的模拟加载。

附图说明

图1为本发明的模拟工况的数控转台试验台载荷加载控制系统的工作原理示意 图；

图2为本发明实施例的模拟工况的数控转台试验台载荷加载控制系统的工作结 构示意图；

图3为本发明实施例的模拟工况的数控转台试验台载荷加载控制系统的模拟静 态载荷的液压加载系统工作流程图；

图4为本发明实施例的模拟工况的数控转台试验台载荷加载控制系统的模拟静 态载荷的液压加载系统工作原理图；

图5为本发明实施例的模拟工况的数控转台试验台载荷加载控制系统的模拟动 态载荷的激振系统工作原理图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅 用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替 代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解， 在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技 术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例一。

一种模拟工况的数控转台试验台载荷加载控制系统，其特征在于：包括模 拟静态载荷的液压加载系统、模拟动态载荷的激振系统和载荷模拟加载的控制 系统，所述模拟静态载荷的液压加载统包括电机、变量叶片泵、比例减压阀以 及电磁换向阀，并由此组成压力可调可控的液压加载回路；所述模拟动态载荷 的激振系统包括功率放大器、高能激振器和压力传感器；所述载荷模拟加载的 控制系统包括上位机工控机及PLC下位机。

所述模拟静态载荷的液压加载系统还包括油箱、空气过滤器、液位计、吸 油过滤器、高压过滤器、加热器、高压球阀、液位继电器、金属温度计、管式 单向阀、溢流阀、叠加式节流阀、压力表、压力传感器和精密油冷却机，电动 机通过联轴器连接液压油泵旋转，液压油泵通过吸油管路连接油箱，油箱经过 单向阀、溢流阀、高压过滤器、比例减压阀、电液比例换向阀，并经过叠加式 节流阀之后连接至加载液压缸。

所述模拟静态载荷的液压加载系统包括第一液压缸1、第二液压缸2、第三 液压缸3、第一激振器6、第二激振器7和第三激振器8，第一液压缸1、第二 液压缸2、第三液压缸3分别安装在数控转台的轴向、径向以及周向方向，第一 激振器6、第二激振器7和第三激振器8分别设置在数控转台的轴向、径向以及 周向的位置。

发明实施例的一种模拟工况的数控转台试验台载荷加载控制系统，在载荷加 载控制系统中，包括用于模拟静态载荷的液压加载系统、用于模拟动态载荷的 激振系统以及由工控机为上位机与PLC为下位机组成的控制系统。载荷加载控 制系统中的数控转台试验台平台是模拟工况的载荷加载控制系统的作用对象， 主要由数控转台的机械本体组成，通过模拟典型工况的加载作用，检测在此作 用下数控转台的动静态关键性能参数。本发明中用来模拟静态载荷的液压加载 系统主要由电机、变量叶片泵、比例减压阀以及电磁换向阀组成压力可调可控 的液压加载回路，在数控转台机械本体的轴向、径向以及周向上分别安装液压 缸，利用液压加载回路产生的高压液压油对数控转台本体三向进行加载，以模 拟数控转台在实际切削工况中所承受的静态载荷，本发明中用来模拟动态载荷 的激振器系统，根据预先设定的载荷谱，由上位机发出控制指令，激振器系统 接收控制信号并产生对应的激振力，整个激振器系统通过三个方向激振器的联 合作用来模拟数控转台在实际工况中所受到的动态力，载荷加载控制系统由工 控机及PLC组成，对载荷加载系统下发控制指令，以控制系统所对应的液压缸 及激振器动作并对系统的运行状态进行监测。参见图1，模拟工况的数控转台试 验台载荷加载控制系统的工作原理图，在进行数控转台动静态性能试验时，根 据试验的要求，本控制系统进行静态加载载荷的设定以及选择动态载荷的载荷 谱，静态加载载荷经过上位机处理后传递给PLC，PLC对相应的液压缸发出控 制指令，完成静态载荷加载；类似地，首先对所选典型切削型式的动态加载载 荷谱进行处理，提取出力的典型特征值，利用本控制系统的算法将特征值转化 成对应的电流值从高速数据采集板卡的模拟量输出端输出，并以此为激振器的 输入信号源，控制信号经过功率放大器到达激振器，完成动态载荷的加载。

参见附图2所示，为本发明实施例的一种模拟工况的数控转台试验台载荷加 载控制系统的具体应用实例的结构示意图，其中，第一液压缸1、第二液压缸2、 第三液压缸3分别用来实现对数控转台的轴向、径向以及周向的载荷加载，撬 棒4是为了实现数控转台的周向加载所增添的辅助工具，增压加载缸的联合作 用可以复现数控转台在实际工况中承受待加工工件时所受到的力，静态载荷的 加载可以方便的研究数控转台的静态性能；支撑底座5的安装有利于进行数控 转台的动态载荷加载，第一激振器6、第二激振器7、第三激振器8分别用来实 现对数控转台的轴向、径向以及周向的载荷加载，其中撬棒9的使用可以方便 的进行周向载荷的加载，实际试验时通过联合液压加载缸进行静态载荷加载， 可以复现数控转台在不同加工工况下的受力情形。

实施例二。

一种模拟工况的数控转台试验台载荷加载控制系统，其特征在于：包括模拟静 态载荷的液压加载系统、模拟动态载荷的激振系统和载荷模拟加载的控制系统， 所述模拟静态载荷的液压加载统包括电机、变量叶片泵、比例减压阀以及电磁 换向阀，并由此组成压力可调可控的液压加载回路；所述模拟动态载荷的激振 系统包括功率放大器、高能激振器和压力传感器；所述载荷模拟加载的控制系 统包括上位机工控机及PLC下位机。

所述模拟静态载荷的液压加载系统还包括油箱、空气过滤器、液位计、吸 油过滤器、高压过滤器、加热器、高压球阀、液位继电器、金属温度计、管式 单向阀、溢流阀、叠加式节流阀、压力表、压力传感器和精密油冷却机，电动 机通过联轴器连接液压油泵旋转，液压油泵通过吸油管路连接油箱，油箱经过 单向阀、溢流阀、高压过滤器、比例减压阀、电液比例换向阀，并经过叠加式 节流阀之后连接至加载液压缸。

所述模拟静态载荷的液压加载系统包括第一液压缸1、第二液压缸2、第三 液压缸3、第一激振器6、第二激振器7和第三激振器8，第一液压缸1、第二 液压缸2、第三液压缸3分别安装在数控转台的轴向、径向以及周向方向，第一 激振器6、第二激振器7和第三激振器8分别设置在数控转台的轴向、径向以及 周向的位置。

一种模拟工况的数控转台试验台载荷加载控制方法，包括以下步骤：

步骤1：通过模拟静态载荷的液压加载系统在数控转台机械本体的轴向、径 向以及周向上分别安装液压缸，利用液压加载回路产生的高压液压油对数控转 台本体三向进行加载，以模拟数控转台在实际切削工况中所承受的静态负载；

步骤2：通过模拟动态载荷的激振系统，按照预先设定的载荷谱，给激振器 下发控制指令，产生对应的激振力，通过三个方向激振器的联合作用来模拟数 控转台在实际切削过程中所受到的动态力；

步骤3：通过载荷模拟加载的控制系统由工控机为上位机及PLC为下位机组 成，上位机对所述控制系统中的PLC下发指令进行控制，以控制所述系统的液 压缸及激振器动作。

所述步骤1具体包括以下步骤：

通过加载液压缸的作用，给予数控转台工作台面加载力，当给予电磁换向 阀施加指令电压信号时，比例换向阀通过改变阀芯位移，改变液压油流向，实 现所述加载液压缸运动方向的控制，当给予比例减压阀施加指令电压信号时， 通过调压弹簧的作用使得减压阀两端的压差发生改变，使得输出的液压油的压 力值发生变换，实现不同工况下的静载荷加载，在转台本体的轴向、径向以及 周向上分别安装液压缸，利用液压回路产生的高压液压油对转台本体三向进行 加载，以模拟转台在实际切削工况中所承受的静态负载。

所述步骤3具体包括以下步骤：

上位机对所述载荷模拟加载的控制系统中的PLC下发指令进行控制，上位 机的控制软件根据实际试验的要求，选择合适的载荷谱并经过处理后对液压加 载系统以及激振器系统发出对应的控制命令信号，并将采集到的反馈信息和载 荷谱进行比较，进行算法补偿，使得静态载荷加载和动态载荷加载尽可能和实 际工况相一致。

具体地，参见附图3所示，为本发明实施例的一种模拟工况的数控转台试验 台载荷加载控制系统的具体应用实例的静态载荷液压加载系统工作流程图，试 验时，根据试验要求，在上位机中进行静态载荷的设置，并给出加载液压缸动 作的控制信号，控制信号经过通信线到达PLC，PLC执行相应的程序代码，并 给出指令信号使控制柜中的电气元器件发生动作，PLC输出的控制信号经过比 例放大板后，信号能量以及强度都得到了一定程度的提升，驱动比例减压阀动 作，液压站输出符合压力要求的液压油，此时控制系统中的压力传感器工作， 并将采集到的压力信号反馈到PC机的控制系统中，与预先设定的值进行比较， 如有偏差，控制系统中的算法会自动调节控制液压系统的信号值直至实际输出 的压力值与设定的值在偏差允许范围内，至此静态载荷加载完成。

如附图4所示，为本发明实施例的一种模拟工况的数控转台试验台载荷加载 控制系统的具体应用实例的静态载荷液压加载系统工作原理图，电机接收到指 令信号后，控制变量叶片泵动作，带有一定压力的液压油流经单向阀、过滤器、 比例减压阀（控制系统根据预先设定的压力值调节比例减压阀的开口大小），高 压油流经电磁换向阀后，控制液压加载缸动作，其中比例减压阀的开口大小是 由比例放大板输出的电压信号控制的，液压系统中配有金属温度计以观察液压 油的油温，并配备了油冷机以控制整个液压系统中的油温，配有液位继电器以 监测油箱中液压油的体积，当液压油的量不满足条件时，会发出报警信号。

如附图5所示，为本发明实施例的一种模拟工况的数控转台试验台载荷加载 控制系统的具体应用实例的动态载荷激振加载系统工作原理图，试验前，首先 利用六分力传感器测得不同工况下数控转台所承受的力，并将这些数据编辑成 载荷谱，具体试验时，根据试验要求，调用库中满足条件的载荷谱，控制系统 对此载荷谱进行编辑、整理，并提取出特征值，经过变换，以高速数据采集卡 为载体，转化成标准的电流信号输出，经过功率放大器的放大作用，并以此为 输入信号传给激振器，考虑到电流信号在传输的过程中会有衰减与损失，将激 振器接收到的信号作为反馈值回馈到控制系统中，并依托系统中的算法对控制 信号进行补偿，直到激振器的输入信号与设定值的偏差在允许范围内时，激振 器动作，产生相应的动态力，实现数控转台试验台动态载荷加载。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。