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卷板機床傳動(dòng)誤差的測量器械及測量方法 |
| 發(fā)布日期：2012-03-05 15:12:19 來(lái)源：車(chē)床 瀏覽： |
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1.引言
機床的傳動(dòng)誤差是指在機床傳動(dòng)鏈的輸入軸驅動(dòng)完全準確且為剛性的條件下，其輸出軸的實(shí)際位移與理論位移之差。機床上實(shí)現工件表面成形所需復合運動(dòng)的傳動(dòng)鏈――“內聯(lián)系”傳動(dòng)鏈的兩末端執行元件之間必須始終嚴格保持符合給定要求的運動(dòng)關(guān)系。傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)精度是指其傳遞運動(dòng)的準確程度，可用傳動(dòng)誤差來(lái)衡量。由于機床實(shí)際存在傳動(dòng)鏈誤差，導致工件表面成形運動(dòng)軌跡存在誤差，最終反映到被加工工件上即引起成形表面的形狀誤差等。由于機床傳動(dòng)鏈主要由齒輪副、蝸輪蝸桿副、螺紋副等組成，因此傳動(dòng)鏈誤差主要來(lái)源于這些傳動(dòng)元件的加工精度及安裝精度。從運動(dòng)學(xué)角度來(lái)講，一切引起瞬時(shí)傳動(dòng)比偏離給定傳動(dòng)要求的因素均是傳動(dòng)鏈誤差的來(lái)源。
對機床傳動(dòng)誤差的測量是對傳動(dòng)誤差進(jìn)行有效補償的前提，因此機床傳動(dòng)誤差的精密測量一直是機械傳動(dòng)技術(shù)的一項重要研究課題。機床傳動(dòng)誤差的基本測量方法是在機床的相關(guān)部位安裝傳感器，借助于采用機、光、電原理的測量?jì)x器并應用誤差評定理論對機床傳動(dòng)系統各環(huán)節的誤差進(jìn)行測量、分析及調整，從而找出誤差產(chǎn)生的原因及變化規律。
2.傳感器的選用
根據傳動(dòng)鏈末端元件的運動(dòng)性質(zhì)正確、合理地選用、安裝傳感器是準確測量傳動(dòng)鏈運動(dòng)精度的必要條件。根據工作原理，機床傳動(dòng)誤差測量常用傳感器可分為以下幾類(lèi)：
（1）光柵傳感器
光柵傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是信號處理方式簡(jiǎn)單，使用方便，測量精度高（國外著(zhù)名廠(chǎng)家如德國Heidenhain、西班牙Fagor等公司制造的光柵傳感器精度可達1μm/m）；缺點(diǎn)是光柵尺價(jià)格較昂貴，對工作環(huán)境要求較高，玻璃光柵尺的線(xiàn)脹系數與機床不一致，易造成測量誤差。
（2）激光傳感器
激光傳感器（包括單頻和雙頻激光）具有較高的測量精度，但測量成本也較高，對環(huán)境條件變化（如溫度、氣流、振動(dòng)等）較敏感，在生產(chǎn)現場(chǎng)使用時(shí)必須采取措施保證測量的穩定性和可靠性。
（3）磁柵傳感器
磁柵尺可分為線(xiàn)狀（有效測量長(cháng)度3m）和帶狀（有效測量長(cháng)度可達30m）兩種型式，其優(yōu)點(diǎn)是制造成本較低，安裝使用方便，線(xiàn)脹系數與機床相同；缺點(diǎn)是測量精度低于光柵尺，由于磁信號強度隨使用時(shí)間而不斷減弱，因此需要重新錄磁，給使用帶來(lái)不便。
（4）感應同步器
感應同步器的優(yōu)點(diǎn)是制造成本低，安裝使用方便，對工作環(huán)境條件要求不高；缺點(diǎn)是信號處理方式較復雜，測量精度受到測量方法的限制（傳統測量方法的測量精度約為2～5μm）。
根據信號輸出方式的不同，可將傳感器分為模擬式和數字式兩大類(lèi)。數字式傳感器又可分為增量式、絕對式和信號調制式等幾種。
在計算機測試系統中，模擬式傳感器的輸出信號需利用模數轉換器（A/D）進(jìn)行數字化處理，而在高分辨率情況下A/D轉換的成本較高，此外解決微小模擬信號（如微伏級）的抗干擾問(wèn)題也相當困難。
在數字式傳感器中，絕對式編碼器可輸出并行數字信號，無(wú)需A/D轉換，易與計算機接口。但隨著(zhù)測量精度的提高，絕對式編碼器的成本也越來(lái)越高，甚至高于高精度A/D轉換的成本，因此在許多實(shí)際應用場(chǎng)合難以被接受。增量式傳感器和信號調制式傳感器的制造成本較低，抗干擾能力較強，可在不改變編碼器刻線(xiàn)密度的情況下采用細分技術(shù)大幅度提高分辨率，因此在傳動(dòng)鏈精度測量中這兩類(lèi)傳感器使用最多。常見(jiàn)的增量式傳感器包括光柵增量編碼器、磁柵傳感器、容柵編碼器等；信號調制式傳感器主要有感應同步器、激光干涉儀、地震儀、旋轉變壓器等。
3.機床傳動(dòng)誤差的動(dòng)態(tài)測量方法
傳動(dòng)誤差的基本測量原理：設θ1、θ2分別為輸入、輸出軸的位移（角位移或線(xiàn)位移），輸入、輸出之間的理論傳動(dòng)比為i，如以θ1作為基準，輸出軸的實(shí)際位移與理論位移的差值即為傳動(dòng)鏈誤差δ，即δ＝θ2-θ1/i。根據對位移信號θ1、θ2的測量方法不同，傳動(dòng)誤差測量方法可分為比相測量法和計數測量法兩大類(lèi)。
3.1機床傳動(dòng)誤差比相測量方法
兩傳感器的輸出信號θ1、θ2之間的相位關(guān)系反映了傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差。當傳動(dòng)誤差TE＝0，即傳動(dòng)比恒定時(shí)，θ1、θ2之間保持恒定的相位關(guān)系；當傳動(dòng)比i發(fā)生變化時(shí)，θ1、θ2之間的相位關(guān)系也隨之發(fā)生變化。比相測量法就是通過(guò)測定θ1、θ2之間的相位關(guān)系來(lái)間接測量傳動(dòng)誤差TE。隨著(zhù)數字技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，比相測量法經(jīng)歷了從模擬比相→數字比相→計算機數字比相的發(fā)展過(guò)程。
（1）模擬比相法
常用的觸發(fā)式相位計即采用了模擬比相法。模擬比相的原理：兩路信號經(jīng)分頻后變?yōu)橥l率信號進(jìn)入比相計，它們之間的時(shí)差Δt取決于θ1、θ2之間的相位差δ（t）。經(jīng)雙穩態(tài)觸發(fā)器鑒別后，Δt變換為與比相矩形波占空比相對應的模擬量Δu，占空比的變化即反映了傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差。
模擬比相測量系統存在以下問(wèn)題：①δ（t）是以2π為周期并按一定規律變化的周期函數，設f為相位變化頻率，ω＝2πf為角頻率，則有δ（t）＝δ（ωt）。兩信號比相時(shí)，相位測量是以1/f為周期的重復測量，由條件0≤δ（ωt）≤2π可知，Δu與δ（t）具有線(xiàn)性關(guān)系。由于δ（ωt）呈周期變化，因此要求模擬記錄表頭的時(shí)間常數τ小于被測變化相位差的周期，即τ≤1/f，否則在前一個(gè)相位變化周期內還未獲得準確讀數時(shí)，后一個(gè)周期已開(kāi)始重復，這樣就無(wú)法實(shí)時(shí)記錄相位差的變化。因此模擬比相法的動(dòng)態(tài)測量性能較差，不能適應實(shí)時(shí)分析處理的動(dòng)態(tài)測量要求。②測量分辨率與測量范圍相互制約，如提高分辨率，則會(huì )減小量程，為此需配置量程選擇電路，被測信號的相位差必須小于360°。③要求進(jìn)入比相計的兩路信號頻率相同，即只能進(jìn)行同頻比相，因此兩路信號的分頻/倍頻器必須滿(mǎn)足傳動(dòng)比變化要求，電路結構復雜，抗干擾能力差，適用范圍較小。
（2）數字比相法
數字比相采用邏輯門(mén)和計數器來(lái)實(shí)現，相位差直接以數字量形式輸出。比相原理：兩同頻信號θ1、θ2經(jīng)放大整形后得到兩組脈沖信號u1、u2，它們分別通過(guò)邏輯門(mén)電路控制計數器的開(kāi)、關(guān)。計數器的計數結果即為θ1、θ2之間的時(shí)間間隔Δt，它與相位差δ（t）成正比。設比相信號周期為T(mén)，則有δ（t）＝2πΔt/T。
數字比相測量法的主要特點(diǎn)為：①由于Δt值不僅取決于兩信號的相位差δ（t），而且還與兩信號的頻率有關(guān)。因此，為獲得較高精度的測量結果，就必須保證兩比相脈沖信號和時(shí)鐘信號均有較高精度。在一個(gè)比相周期T內，任何引起比相信號頻率變化的因素都將影響測量結果。②雖然數字比相彌補了模擬比相的一些不足，測量穩定性和可靠性有所提高，但仍然只能適用于同頻比相。
（3）微機細分比相法
20世紀80年代以來(lái)，測試儀器微機化成為測量技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。在機床傳動(dòng)誤差測量中，微機細分比相法開(kāi)始得到廣泛應用。
微機細分比相法是數字比相法的微機化應用。由于計算機具有強大的邏輯、數值運算功能和控制功能，極易實(shí)現兩路信號的高頻時(shí)鐘細分、比相及輸出，因此外圍線(xiàn)路的制作比較簡(jiǎn)單。傳動(dòng)誤差為δ（t）＝2πNt/N。在比相過(guò)程中，高頻脈沖φ不再由外部振蕩電路產(chǎn)生，而直接采用計算機內部的時(shí)鐘CP；脈沖CP的計數不再采用邏輯門(mén)電路計數器，而采用計算機內的可編程定時(shí)/計數器。微機細分比相測量法具有如下優(yōu)點(diǎn)：①兩路比相信號無(wú)須頻率相同（即被測傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比可為任意值），在傳動(dòng)鏈誤差的計算中，傳動(dòng)比為一常數。②比相相位差可為任意值，不受相位差必須小于360°的限制。③實(shí)現了時(shí)鐘細分與比相的一體化，使硬件接口線(xiàn)路大大簡(jiǎn)化。由于可編程計數器的分頻數可由計算機軟件控制，因此可方便地調整采樣頻率，以適應不同轉速下傳動(dòng)鏈誤差的測量。④系統的細分精度和測量精度較高，便于構成智能化、多功能測量系統。
3.2機床傳動(dòng)誤差計數測量方法
模擬比相和數字比相均為同頻比相，為獲得同頻比相信號，必須首先進(jìn)行傳動(dòng)比分頻；為保證各誤差范圍不致發(fā)生2π相位翻轉，還需要進(jìn)行量程分頻。由于分頻會(huì )降低測量分辨率，因此必須在分頻前先進(jìn)行倍頻，這就使測量系統變得較為復雜。此外，對于非整數傳動(dòng)比因無(wú)法分頻而不能進(jìn)行測量。
數字計數測量法采用非同頻比相，因此不需對兩路脈沖信號進(jìn)行分頻處理，可直接利用兩傳感器輸出脈沖之間的數量關(guān)系來(lái)計算機床傳動(dòng)誤差。
（1）直接計數測量法
直接計數測量法原理：設輸入、輸出軸傳感器的每轉輸出信號數分別為λ1、λ2，選擇輸出軸θ2作為基準軸，采樣間隔T等于θ2脈沖信號的周期或它的整數倍。根據傳動(dòng)誤差的定義，第j次采樣時(shí)的傳動(dòng)誤差為：δ（j）＝［N1（tj）-N2（tj）（iλ1/λ2）］2π/λ1。
由于θ1、θ2是時(shí)間上離散的脈沖序列，因此在測量過(guò)程中，采樣時(shí)間間隔（N2個(gè)θ2脈沖）內θ1脈沖的計數N1（tj）是隨時(shí)間而變化的，且通常為非整數。這樣，其小數部分Δ所造成的誤差Δ2π/λ1就被忽略了。此外，實(shí)際傳動(dòng)系統的（iλ1/λ2）不一定總為整數，即脈沖θ1的頻率不一定是θ2的整數倍，如將N1理論視為整數處理將造成理論誤差，從而限制其應用范圍。
（2）微機細分計數測量法
微機細分計數測量法的測量步驟為：①以前一個(gè)θ2脈沖作為開(kāi)門(mén)信號，后一個(gè)θ2脈沖作為關(guān)門(mén)信號，用計數器對θ1的脈沖個(gè)數N0進(jìn)行計數；②利用時(shí)鐘脈沖CP對脈沖序列θ1進(jìn)行插值細分，對θ1脈沖信號的小數周期計數值TΔ和整數周期計數值T2分別計數；③計算傳動(dòng)誤差：δ（t）＝（N0+TΔ/T2-iλ1/λ2）2π/λ1。
微機細分計數測量法具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可有效減小測量誤差Δ；②可充分利用計算機內部資源及軟件控制來(lái)簡(jiǎn)化外部硬件電路；③將測量采樣、數據處理和結果分析融為一體，實(shí)現了智能化測量。 |
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