機床傳動(dòng)誤差測量方法
/ 2021/6/5 10:44:37
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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??
光柵傳感器的違禁詞優(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）。
目前常用的幾類(lèi)機床傳動(dòng)誤差測量傳感器的部分應用情況見(jiàn)表1。??
表1 幾類(lèi)常用傳感器的部分應用情況
傳感器類(lèi)型－應用單位－測量分辨率：線(xiàn)位移(μm)－測量分辨率：角位移(角秒)
光柵傳感器－東京大學(xué)，漢江機床廠(chǎng)－2，2－1
激光傳感器－單頻激光：北京機床所，東京大學(xué)－0.632－/
激光傳感器－雙頻激光：
成都工具研究所，
上海機床廠(chǎng)－0.158－/
磁柵傳感器－東京大學(xué)，重慶大學(xué)，華中理工大學(xué)，漢江機床廠(chǎng)，美國威斯康星大學(xué)－2－1
感應同步器－山東工業(yè)大學(xué)，漢川機床廠(chǎng)－1，2－0.72
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。??
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