機(jī)床傳動(dòng)誤差測量方法
/ 2021/6/5 10:44:37
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1．引言??
機(jī)床的傳動(dòng)誤差是指在機(jī)床傳動(dòng)鏈的輸入軸驅(qū)動(dòng)完全準(zhǔn)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(jī)床上實(shí)現(xiàn)工件表面成形所需復(fù)合運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈——“內(nèi)聯(lián)系”傳動(dòng)鏈的兩末端執(zhí)行元件之間必須始終嚴(yán)格保持符合給定要求的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)精度是指其傳遞運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確程度，可用傳動(dòng)誤差來衡量。由于機(jī)床實(shí)際存在傳動(dòng)鏈誤差，導(dǎo)致工件表面成形運(yùn)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(jī)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)鏈誤差主要來源于這些傳動(dòng)元件的加工精度及安裝精度。從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度來講，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)鏈誤差的來源。??
對機(jī)床傳動(dòng)誤差的測量是對傳動(dòng)誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償?shù)那疤?，因此機(jī)床傳動(dòng)誤差的精密測量一直是機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的一項(xiàng)重要研究課題。機(jī)床傳動(dòng)誤差的基本測量方法是在機(jī)床的相關(guān)部位安裝傳感器，借助于采用機(jī)、光、電原理的測量儀器并應(yīng)用誤差評定理論對機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的誤差進(jìn)行測量、分析及調(diào)整，從而找出誤差產(chǎn)生的原因及變化規(guī)律。??
2．傳感器的選用??
根據(jù)傳動(dòng)鏈末端元件的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)正確、合理地選用、安裝傳感器是準(zhǔn)確測量傳動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)精度的必要條件。根據(jù)工作原理，機(jī)床傳動(dòng)誤差測量常用傳感器可分為以下幾類：??
?。?）光柵傳感器??
光柵傳感器的違禁詞優(yōu)點(diǎn)是信號處理方式簡單，使用方便，測量精度高（國外著名廠家如德國Heidenhain、西班牙Fagor等公司制造的光柵傳感器精度可達(dá)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，玻璃光柵尺的線脹系數(shù)與機(jī)床不一致，易造成測量誤差。??
?。?）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(xiàn)場使用時(shí)必須采取措施保證測量的穩(wěn)定性和可靠性。??
?。?）磁柵傳感器??
磁柵尺可分為線狀（有效測量長度3m）和帶狀（有效測量長度可達(dá)30m）兩種型式，其優(yōu)點(diǎn)是制造成本較低，安裝使用方便，線脹系數(shù)與機(jī)床相同；缺點(diǎn)是測量精度低于光柵尺，由于磁信號強(qiáng)度隨使用時(shí)間而不斷減弱，因此需要重新錄磁，給使用帶來不便。??
?。?）感應(yīng)同步器??
感應(yīng)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(fù)雜，測量精度受到測量方法的限制（傳統(tǒng)測量方法的測量精度約為2～5μm）。
目前常用的幾類機(jī)床傳動(dòng)誤差測量傳感器的部分應(yīng)用情況見表1。??
表1 幾類常用傳感器的部分應(yīng)用情況
傳感器類型－應(yīng)用單位－測量分辨率：線位移(μm)－測量分辨率：角位移(角秒)
光柵傳感器－東京大學(xué)，漢江機(jī)床廠－2，2－1
激光傳感器－單頻激光：北京機(jī)床所，東京大學(xué)－0.632－/
激光傳感器－雙頻激光：
成都工具研究所，
上海機(jī)床廠－0.158－/
磁柵傳感器－東京大學(xué)，重慶大學(xué)，華中理工大學(xué)，漢江機(jī)床廠，美國威斯康星大學(xué)－2－1
感應(yīng)同步器－山東工業(yè)大學(xué)，漢川機(jī)床廠－1，2－0.72
根據(jù)信號輸出方式的不同，可將傳感器分為模擬式和數(shù)字式兩大類。數(shù)字式傳感器又可分為增量式、絕對式和信號調(diào)制式等幾種。
在計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)中，模擬式傳感器的輸出信號需利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)進(jìn)行數(shù)字化處理，而在高分辨率情況下A/D轉(zhuǎn)換的成本較高，此外解決微小模擬信號（如微伏級）的抗干擾問題也相當(dāng)困難。??
在數(shù)字式傳感器中，絕對式編碼器可輸出并行數(shù)字信號，無需A/D轉(zhuǎn)換，易與計(jì)算機(jī)接口。但隨著測量精度的提高，絕對式編碼器的成本也越來越高，甚至高于高精度A/D轉(zhuǎn)換的成本，因此在許多實(shí)際應(yīng)用場合難以被接受。增量式傳感器和信號調(diào)制式傳感器的制造成本較低，抗干擾能力較強(qiáng)，可在不改變編碼器刻線密度的情況下采用細(xì)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傳感器使用最多。常見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(diào)制式傳感器主要有感應(yīng)同步器、激光干涉儀、地震儀、旋轉(zhuǎn)變壓器等。??
3．機(jī)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(shè)θ1、θ2分別為輸入、輸出軸的位移（角位移或線位移），輸入、輸出之間的理論傳動(dòng)比為i，如以θ1作為基準(zhǔn)，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(jù)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(jì)數(shù)測量法兩大類。
3．1 機(jī)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(dāng)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(dāng)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測定θ1、θ2之間的相位關(guān)系來間接測量傳動(dòng)誤差TE。隨著數(shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，比相測量法經(jīng)歷了從模擬比相→數(shù)字比相→計(jì)算機(jī)數(shù)字比相的發(fā)展過程。??
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