機床傳動誤差測量方法
/ 2021/6/5 10:44:37
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1．引言??
機床的傳動誤差是指在機床傳動鏈的輸入軸驅(qū)動完全準確且為剛性的條件下，其輸出軸的實際位移與理論位移之差。機床上實現(xiàn)工件表面成形所需復合運動的傳動鏈——“內(nèi)聯(lián)系”傳動鏈的兩末端執(zhí)行元件之間必須始終嚴格保持符合給定要求的運動關(guān)系。傳動鏈的傳動精度是指其傳遞運動的準確程度，可用傳動誤差來衡量。由于機床實際存在傳動鏈誤差，導致工件表面成形運動軌跡存在誤差，最終反映到被加工工件上即引起成形表面的形狀誤差等。由于機床傳動鏈主要由齒輪副、蝸輪蝸桿副、螺紋副等組成，因此傳動鏈誤差主要來源于這些傳動元件的加工精度及安裝精度。從運動學角度來講，一切引起瞬時傳動比偏離給定傳動要求的因素均是傳動鏈誤差的來源。??
對機床傳動誤差的測量是對傳動誤差進行有效補償?shù)那疤幔虼藱C床傳動誤差的精密測量一直是機械傳動技術(shù)的一項重要研究課題。機床傳動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、電原理的測量儀器并應用誤差評定理論對機床傳動系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的誤差進行測量、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)傳動鏈末端元件的運動性質(zhì)正確、合理地選用、安裝傳感器是準確測量傳動鏈運動精度的必要條件。根據(jù)工作原理，機床傳動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1μm/m）；缺點是光柵尺價格較昂貴，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、振動等）較敏感，在生產(chǎn)現(xiàn)場使用時必須采取措施保證測量的穩(wěn)定性和可靠性。??
（3）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30m）兩種型式，其優(yōu)點是制造成本較低，安裝使用方便，線脹系數(shù)與機床相同；缺點是測量精度低于光柵尺，由于磁信號強度隨使用時間而不斷減弱，因此需要重新錄磁，給使用帶來不便。??
?。?）感應同步器??
感應同步器的優(yōu)點是制造成本低，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(tǒng)測量方法的測量精度約為2～5μm）。
目前常用的幾類機床傳動誤差測量傳感器的部分應用情況見表1。??
表1 幾類常用傳感器的部分應用情況
傳感器類型－應用單位－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，漢江機床廠－2，2－1
激光傳感器－單頻激光：北京機床所，東京大學－0.632－/
激光傳感器－雙頻激光：
成都工具研究所，
上海機床廠－0.158－/
磁柵傳感器－東京大學，重慶大學，華中理工大學，漢江機床廠，美國威斯康星大學－2－1
感應同步器－山東工業(yè)大學，漢川機床廠－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。
在計算機測試系統(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，易與計算機接口。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，因此在許多實際應用場合難以被接受。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，可在不改變編碼器刻線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同步器、激光干涉儀、地震儀、旋轉(zhuǎn)變壓器等。??
3．機床傳動誤差的動態(tài)測量方法??
傳動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比為i，如以θ1作為基準，輸出軸的實際位移與理論位移的差值即為傳動鏈誤差δ，即δ＝θ2－θ1/i。根據(jù)對位移信號θ1、θ2的測量方法不同，傳動誤差測量方法可分為比相測量法和計數(shù)測量法兩大類。
3．1 機床傳動誤差比相測量方法??
兩傳感器的輸出信號θ1、θ2之間的相位關(guān)系反映了傳動鏈的傳動誤差。當傳動誤差TE＝0，即傳動比恒定時，θ1、θ2之間保持恒定的相位關(guān)系；當傳動比i發(fā)生變化時，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)系來間接測量傳動誤差TE。隨著數(shù)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(shù)字比相→計算機數(shù)字比相的發(fā)展過程。??
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