一种基于电机模拟加载的数控系统性能在线测试方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于电机模拟加载的数控系统性能的在线测试方法及系统，该系统包括被测数控系统、陪测数控系统、远程数据采集单元和远程服务器，该陪测数控系统为被测数控系统提供负载，同时作为被测数控系统的测量工具，所述陪测数控系统与被测数控系统通过弹性联轴器相连，上述两个数控系统分别与远程数据采集单元相连。所述测试方法包括：被测数控系统负载的加载、被测数控系统G代码的在线运行测试、实际数据的实时获取以及数控系统性能的在线分析等步骤。本发明的测试系统及测试方法具有结构简单、操作方便等优点，可以模拟多种负载情况，测试过程可远程实时监控，测试数据可远程查看，并实现了测试数据的统一管理。

说明书

技术领域

本发明属于数控系统性能测试技术领域，更具体地，涉及一种基于电 机模拟加载的数控系统性能的在线测试方法及系统。

背景技术

数控系统是数字控制系统的简称，其根据计算机存储器中存储的控制 程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的 专用计算机系统，通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台 或多台机械设备动作控制，工业自动化领域广泛使用的数控系统，数控系 统在出厂前都需进行性能测试及可靠性测试。

目前普遍的测试系统通常采用对拖形式，陪测电机处于发电模式，电 阻消耗电能，此种处理方法的负载大小由于发热等问题而无法确定负载的 大小。且现有的测试方法通常只针对伺服系统，在线检测系统一般是通过 开发数据采集卡来接收安装在伺服电机上的传感器获得的数据，然后将数 据发送给虚拟仪器，虚拟仪器对数据进行运算处理，并将数据实时显示出 来。通过此方法，可测得其正反转速差率、转速调整率、转速波动系数、 调速比、超调量等指标，根据这些指标可判断伺服系统性能状况，在测试 过程中常用的力矩加载方式是利用磁粉制动器、惯量盘、电动机等。

然而，现有的检测方法操作流程复杂，需要对各种指标进行单独测试， 无法对数控系统的整体性能进行测试与表征，自动化程度低，同时常用的 力矩加载方式在自动化控制力矩大小方面也存在难以实现负载的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种数控系统性 能的在线测试方法及系统，其利用电机模拟加载的方式实现数控系统的加 载，使得负载的加载简单准确，并且可模拟多种负载情况；同时，本发明 通过数控系统运行一段G代码，并根据指令数据与实际数据的比较运算， 即可实时获得数控系统的综合性能，相应的可有效解决现有检测方法需对 各种指标进行单独测试的问题；此外，本发明还通过设置远程服务器和云 服务网站，实现数控系统性能的远程在线监控及测试数据的查询和管理， 因而尤其适用于多台数控系统性能的在线检测及管理。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于电机模拟 加载的数控系统性能在线测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)被测数控系统负载的模拟加载：

设立一组与被测数控系统相对应的陪测数控系统，该陪测数控系统包 括陪测数控装置、陪测伺服驱动器和陪测伺服电机；通过所述陪测数控装 置下发指令到处于力矩模式的所述陪测伺服驱动器来控制所述陪测伺服电 机产生力矩；上述力矩通过弹性联轴器传递给所述被测数控系统中的被测 伺服电机，以此实现被测数控系统负载的模拟加载；

(2)被测数控系统的在线运行：

在所述被测数控系统的被测数控装置中载入G代码，并将该G代码转 化为被测伺服驱动器可识别的运动指令，通过该运动指令控制所述被测伺 服电机产生运动；与所述运动指令相对应的指令数据发送给远程数据采集 单元；

(3)实际数据的实时获取：

在所述被测数控系统在线运行的整个过程中，所述陪测伺服电机实时 测量所述被测数控系统基于所述运动指令所反映出的实际数据，该实际数 据同样发送给远程数据采集单元；

(4)数控系统性能的在线分析：

利用所述远程数据采集单元对通过步骤(2)和(3)获取的所述指令 数据与所述实际数据进行对比计算，获得用于表征数控系统综合性能的表 征参数，以此方式，实现数控系统综合性能的在线测试。

作为进一步优选的，所述的指令数据和所述的实际数据均包括所述被 测伺服电机的转速和位置信息。

作为进一步优选的，所述被测数控装置和陪测数控装置与所述远程数 据采集单元均通过TCP/IP协议进行数据交互。

作为进一步优选的，所述陪测伺服电机的最大力矩大于所述被测伺服 电机的最大力矩。

按照本发明的另一个方面，提出了一种基于电机模拟加载的数控系统 性能的在线测试系统，其特征在于，该系统包括被测数控系统、陪测数控 系统和远程服务器，其中：

该被测数控系统包括被测数控装置、被测伺服驱动器和被测伺服电机； 所述被测数控装置与所述被测伺服驱动器之间、所述被测伺服驱动器和所 述被测伺服电机之间均采用总线相连；

该陪测数控系统包括陪测数控装置、处于力矩模式的陪测伺服驱动器 和陪测伺服电机；所述陪测数控装置与所述陪测伺服驱动器之间、所述陪 测伺服驱动器和所述陪测伺服电机之间均采用总线相连；其中，所述陪测 伺服电机与所述被测伺服电机之间通过弹性联轴器相连；

所述被测数控装置和所述陪测数控装置均通过网线与远程数据采集单 元相连，该远程数据采集单元将采集的数据实时传送并保存在远程服务器 中。

作为进一步优选的，该测试系统还设置有云服务网站，该云服务网站 通过Internet连接访问所述远程服务器，以便于所述远程服务器中所有数 据的查看。

作为进一步优选的，该云服务网站可通过远程数据采集单元提供的数 据接口实现测试过程的远程实时状态监控。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要 具备以下的技术优点：

1.本发明设置了一套陪测数控系统，通过处于力矩模式控制下的陪测 伺服驱动单元控制陪测伺服电机实现对被测数控系统伺服电机的负载加载， 通过此方式使得负载的加载简单准确，并且可以方便的模拟多种负载情况； 此外，在实现加载的同时，陪测伺服电机上的编码器可以作为被测数控系 统的测量装置，以实时采集被测数控系统工作的实际数据，这些数据经过 陪测伺服驱动单元发送给陪测数控系统。

2.本发明无需再分别测试不同的性能指标，本发明设置了一段G代码， 通过数控系统运行一段该G代码一定时间，然后根据指令数据与实际数据 的比较运算，便可实时获取数控系统的综合性能，测试简单方便。

3.本发明的数据采集单元可放置在任何一台联网的PC上，它通过 Internet连接远程服务器，以将采集的数据实时传送并保存在远程服务器 中。通过设置与远程服务器以及远程数据采集单元连接的云服务网站，使 得无论身处何地都可以实现数控系统当前测试情况的远程在线监控，包括 速度、位置等信息；且可便于测试结果历史数据的查看，还可以查看通过 性能评价算法对历史测试数据的评价结果随时间变化的走势图；并可以进 行各种需要的对比分析，甚至可以直接将设定的测试G代码直接下发到测 试数控系统中，实现了测试数据的良好管理。

附图说明

图1是本发明一种基于电机模拟加载的数控系统性能的在线测试系统 示意图；

图2是本发明中远程数据采集单元的数据处理流程图。

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。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

图1为本发明的一种基于电机模拟加载的数控系统性能的在线测试系 统示意图，该系统包括被测数控系统、陪测数控系统和远程服务器，其中：

该被测数控系统包括被测数控装置1、被测伺服驱动器2和被测伺服电 机3；所述被测数控装置1与被测伺服驱动器2之间、被测伺服驱动器2和 被测伺服电机3之间均采用总线相连；

该陪测数控系统包括陪测数控装置7、处于力矩模式的陪测伺服驱动器 6和陪测伺服电机5；所述陪测数控装置7与陪测伺服驱动器6之间、陪测 伺服驱动器6和陪测伺服电机5之间均采用总线相连；其中，所述陪测伺 服电机5与所述被测伺服电机3之间通过弹性联轴器4相连；

所述被测数控装置1和所述陪测数控装置7均通过网线与远程数据采 集单元8相连，该远程数据采集单元8将采集的数据实时传送至远程服务 器中。

此外，伺服电机3、5通过支架固定在工作台上，数控装置1、7与数 据采集单元通过TCP/IP协议进行数据交互。

本发明的一种基于电机模拟加载的数控系统性能的在线测试方法，具 体步骤如下：

(1)被测数控系统负载的加载：通过陪测数控装置7下发指令到处于 力矩模式的陪测伺服驱动器6来控制陪测伺服电机5产生力矩；上述力矩 通过弹性联轴器4传递给所述被测数控系统中的被测伺服电机3，以此实现 被测数控系统的负载的加载；

(2)被测数控系统的在线运行：在所述被测数控系统的被测数控装置 1中载入G代码，并将该G代码转化为被测伺服驱动器2可识别的运动指令， 通过该运动指令控制被测伺服电机3产生运动；所述的运动指令的指令数 据通过网线发送给远程数据采集单元8；

(3)实际数据的实时获取：在所述被测数控系统在线运行的过程中， 所述陪测伺服电机5实时测量所述被测数控系统的与指令数据相对应的实 际数据，该实际数据同样通过网线发送给远程数据采集单元8；

(4)数控系统性能的在线分析：利用所述远程数据采集单元8对通过 步骤(2)和(3)获取的所述指令数据与实际数据进行对比计算，获得用 于表征数控系统综合性能的表征参数，以此方式，实现数控系统综合性能 的在线测试。

其中，数控系统运行编写的指定G代码，该G代码内容包括了在其进 行正反转速差率、转速调整率、转速波动系数、调速比、超调量单独测试 时候的所有运行状况，同时多次重复此过程；另外，G代码中还包括了一段 日常情况下会遇到的大部分情况，如平面加工、圆弧加工等情况。通过采 集运行过程中的数控系统指令数据和伺服电机的实际数据，并通过数据对 比算法对它们之间的重合度、相似度进行比较得出一个描述指令数据与实 际数据的差距大小的系数值RS，而数控系统在运动控制方面的性能可以通 过指令数据和实际数据的差距来体现，故用此RS系数来综合表述数控系统 在运动控制方面的综合性能。

本发明通过处于力矩模式控制下的陪测伺服驱动单元控制陪测伺服电 机实现对被测试数控系统伺服电机的负载加载，首先将陪测伺服驱动单元 设置为工作在力矩模式下，然后在陪测数控装置中编写PLC梯形图来下发 指令，通过此方式可以方便的模拟多种负载情况，此种方式在实现加载的 同时，陪测伺服电机上的编码器可以作为被测数控系统的测量装置，来采 集被测数控系统工作的实际数据，这些数据将经过陪测伺服驱动器发送给 陪测数控装置，并通过网线进一步发送至远程数据采集单元中，以此实现 实际数据的实时采集。

本发明开发了一个用于与数控系统进行数据通信的远程数据采集单元， 它通过网线实时获取数控系统此刻的实时状态，包括转速、位置等信息， 可同时监控包括转速、位置、编码器位置等多项数据类型，并可同时绘制 出各信息的对比曲线，对单一数据类型，如转速，可以实时提供数据的显 示。所有测试过程的详细数据都以文件的形式存放在远程服务器中，其文 件的相关详细信息都存放在数据库中。通过建立云服务网站可以方便的查 看测试的情况，包括测试的对象，测试的次数，每次测试的结果等，同时 通过数据库查找文件所在的位置可以还原任意一次测试的测试过程中实际 数据和指令数据的曲线图，甚至，可以选择任意两组测试对象和测试数据 类型一样的两组数据进行比较，实现同一数控系统甚至不同数控系统的相 互比较。所述陪测伺服电机5的额定转矩大于被测伺服电机的额定转矩。

此外，在测试开始之前，应先打开远程数据采集单元并完成配置，当 被测数控系统中的数控装置编写好G代码，按下循环启动键后，该单元将 得到这个信号，自动激活开始数据采集，测试正式开始，当数控装置按下 了进给保持时，数据采集也会被自动暂停，直到循环启动键被再次按下。

图2为本发明中远程数据采集单元的数据处理流程图，该远程数据采 集单元具有实现显示伺服电机运行状态的详细数据、测试数据的云存储、 分析数据、提供数据传输的外部接口等功能。其数据处理的具体步骤如下： 启动数据采集单元中的数据采集软件后进行初始化，初始化成功后根据当 前测试用户查找服务器中该用户所属的所有数控系统，并对其进行连接测 试，在连接成功的数控系统时，软件激活测试启动功能；软件默认选择该 用户在数据库中所属数控系统的第一台作为当前测试的对象，接下来配置 所需的测试项目，包括转速、位置等，最后点击开始按钮；数据采集软件 开始等待数控系统的运行信号，当获取到数控系统的运行信号时，数据采 集、数据存储等功能被激活，数据采集软件启动；测试过程中指令数据和 实际数据实时进行显示；在测试结束之后，所有数据文件被存为文件，同 时该文件的相关信息被存入数据库中；调用MATLAB编写的用于分析数据的 组件对数据文件进行分析，最终得出评价结果，并保存在数据库中。数据 采集单元的数据外部接口基于MTConnect协议，可为网页等多种云监控的 实现提供数据来源接口。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 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。