數控機床傳動(dòng)誤差的測量方法

數控機床傳動(dòng)誤差的測量方法：

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)。

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(wt)。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T小于被測變化相位差的周期,即r≤1/f ,否則在前一一個(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I ]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△t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)性,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。

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02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θ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/Δ2)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)2脈沖作為開(kāi)門(mén)信號，后一個(gè)2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TO和整數周期計數值T2分別計數;

③計算傳動(dòng)誤差:δ(t) = ( NO+TO/T2-iX1/Δ2 ) 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* ;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。