钻床传动误差测量方法研究综述

钻床的传动差错是指在钻床传动链的输入轴驱动且为刚性的条件下，其输出轴的实践位移与理论位移之差。钻床上完成工件外表成形所需复合运动的传动链——"内联系"传动链的两结尾履行元件之间有一直严厉坚持符合给定需求的运动联系。传动链的传动精度是指其传递运动的程度，可用传动差错来衡量。因为钻床实践存在传动链差错，致使工件外表成形运动轨道存在差错，终究反映到被加工工件上即导致成形外表的形状差错等。因为钻床传动链由齿轮副、蜗轮蜗杆副、螺纹副等构成，因而传动链差错来历于这些传动元件的加工精度及装置精度。从运动学视点来讲，全部导致瞬时传动比违背给定传动需求的要素均是传动链差错的来历。

对钻床传动差错的丈量是对传动差错进行有用抵偿的条件，因而钻床传动差错的丈量一直是机械传动技能的一项重要研究课题。钻床传动差错的根本丈量方法是在钻床的有关部位装置传感器，借助于选用机、光、电原理的丈量仪器并运用差错鉴定理论对钻床传动体系各环节的差错进行丈量、剖析及调整，然后找出差错发作的原因及改动规则。

2.传感器的选用

依据传动链结尾元件的运动性质正确、合理地选用、装置传感器是丈量传动链运动精度的条件。依据作业原理，钻床传动差错丈量常用传感器可分为以下几类：

（1）光栅传感器

光栅传感器的长处是信号处置方式简单，运用方便，丈量（闻名厂家如德国Heidenhain、西班牙Fagor等公司制造的光栅传感器精度可达1μm/m）；缺陷是光栅尺报价较贵重，对作业环境需求较高，玻璃光栅尺的线胀系数与钻床纷歧致，易形成丈量差错。

（2）激光传感器

激光传感器（包含单频和双频激光）具有较高的丈量精度，但丈量本钱也较高，对环境条件改动（如温度、气流、振荡等）较灵敏，在出产现场运用时有采纳办法丈量的稳定性和性。

（3）磁栅传感器

磁栅尺可分为线状（有用丈量长度3m）和带状（有用丈量长度可达30m）两种型式，其长处是制造本钱较低，装置运用方便，线胀系数与钻床一样；缺陷是丈量精度低于光栅尺，因为磁信号强度随运用时刻而不断减弱，因而需要从头录磁，给运用带来不便。

（4）感应同步器

感应同步器的长处是制造本钱低，装置运用方便，对作业环境条件需求不高；缺陷是信号处置方式较杂乱，丈量精度遭到丈量方法的约束（传统丈量方法的丈量精度约为2——5μm）。

当前常用的几类钻床传动差错丈量传感器的有些运用状况见表1。

表1几类常用传感器的有些运用状况

传感器类型-运用单位-丈量分辨率：线位移（μm）-丈量分辨率：角位移（角秒）

光栅传感器-东京大学，汉江钻床厂-2，2-1

激光传感器-单频激光：北京钻床所，东京大学-0.632-/

激光传感器-双频激光：成都工具研究所，上海钻床厂-0.158-/

磁栅传感器-东京大学，重庆大学，华中理工大学，汉江钻床厂，美国威斯康星大学-2-1

感应同步器-山东工业大学，汉川钻床厂-1，2-0.72

依据信号输出方式的纷歧样，可将传感器分为模仿式和数字式两大类。数字式传感器又可分为增量式、肯定式和信号调制式等几种。

在核算机测验体系中，模仿式传感器的输出信号需使用模数变换器（A/D）进行数字化处置，而在高分辨率状况下A/D变换的本钱较高，此外处置微小模仿信号（如微伏级）的抗干扰疑问也适当困难。

在数字式传感器中，肯定式编码器可输出并行数字信号，无需A/D变换，易与核算机接口。但随着丈量精度的进步，肯定式编码器的本钱也越来越高，乃至高于A/D变换的本钱，因而在许多实践运用场合难以被承受。增量式传感器和信号调制式传感器的制造本钱较低，抗干扰能力较强，可在不改动编码器刻线密度的状况下选用细分技能大幅度进步分辨率，因而在传动链精度丈量中这两类传感器运用。常见的增量式传感器包含光栅增量编码器、磁栅传感器、容栅编码器等；信号调制式传感器有感应同步器、激光干涉仪、地震仪、旋转变压器等。

3.钻床传动差错的动态丈量方法

传动差错的根本丈量原理：设θ1、θ2别离为输入、输出轴的位移（角位移或线位移），输入、输出之间的理论传动比为i，如以θ1作为基准，输出轴的实践位移与理论位移的差值即为传动链差错δ，即δ＝θ2-θ1/i。依据对位移信号θ1、θ2的丈量方法纷歧样，传动差错丈量方法可分为比相丈量法和计数丈量法两大类。

3.1钻床传动差错比相丈量方法

两传感器的输出信号θ1、θ2之间的相位联系反映了传动链的传动差错。当传动差错TE＝0，即传动比稳守时，θ1、θ2之间坚持稳定的相位联系；当传动比i发作改动时，θ1、θ2之间的相位联系也随之发作改动。比相丈量法即是经过测定θ1、θ2之间的相位联系来间接丈量传动差错TE。随着数字技能、核算机技能的发展，比相丈量法经历了从模仿比相→数字比相→核算机数字比相的发展过程。

（1）模仿比相法

常用的触发式相位计即选用了模仿比相法。模仿比相的原理：两路信号经分频后变为同频率信号进入比相计，它们之间的时差Δt取决于θ1、θ2之间的相位差δ（t）。经双稳态触发器鉴别后，Δt变换为与比相矩形波占空比相对应的模仿量Δu，占空比的改动即反映了传动链的传动差错。

模仿比相丈量体系存在以下疑问：①δ（t）是以2π为周期并按规则改动的周期函数，设f为相位改动频率，ω＝2πf为角频率，则有δ（t）＝δ（ωt）。两信号比相时，相位丈量是以1/f为周期的重复丈量，由条件0≤δ（ωt）≤2π可知，Δu与δ（t）具有线性联系。因为δ（ωt）呈周期改动，因而需求模仿记载表头的时刻常数τ小于被测改动相位差的周期，即τ≤1/f，不然在前一个相位改动周期内还未取得读数时，后一个周期已开端重复，这样就无法实时记载相位差的改动。因而模仿比相法的动态丈量性能较差，不能习惯实时剖析处置的动态丈量需求。②丈量分辨率与丈量规模相互制约，如进步分辨率，则会减小量程，为此需装备量程挑选电路，被测信号的相位差有小于360°。③需求进入比相计的两路信号频率一样，即只能进行同频比相，因而两路信号的分频/倍频器有满意传动比改动需求，电路布局杂乱，抗干扰能力差，适用规模较小。

（2）数字比相法

数字比相选用逻辑门和计数器来完成，相位差直接以数字量形式输出。比相原理：两同频信号θ1、θ2经扩大后两组脉冲信号u1、u2，它们别离经过逻辑门电路操控计数器的开、关。计数器的计数成果即为θ1、θ2之间的时刻距离Δt，它与相位差δ（t）成正比。设比相信号周期为T，则有δ（t）＝2πΔt/T。

数字比相丈量法的特点为：①因为Δt值不只取决于两信号的相位差δ（t），并且还与两信号的频率有关。因而，为取得较的丈量成果，就有两比相脉冲信号和时钟信号均有较。在一个比相周期T内，任何导致比相信号频率改动的要素都将影响丈量成果。②尽管数字比相弥补了模仿比相的一些缺乏，丈量稳定性和性有所进步，但仍然只能适用于同频比相。

（3）微机细分比相法

20世纪80年代以来，测验仪器微机化变成丈量技能的重要发展趋势。在钻床传动差错丈量中，微机细分比相法开端广泛运用。

微机细分比相法是数字比相法的微机化运用。因为核算机具有强壮的逻辑、数值运算功用和操控功用，很容易完成两路信号的高频时钟细分、比相及输出，因而外围线路的制造比较简单。传动差错为δ（t）＝2πNt/N。在比相过程中，高频脉冲φ不再由外部振荡电路发作，而直接选用核算机内部的时钟CP；脉冲CP的计数不再选用逻辑门电路计数器，而选用核算机内的可编程守时/计数器。微机细分比相丈量法具有如下长处：①两路比相信号无须频率一样（即被测传动链的传动比可为恣意值），在传动链差错的核算中，传动比为一常数。②比相相位差可为恣意值，不受相位差有小于360°的约束。③完成了时钟细分与比相的一体化，使硬件接口线路简化。因为可编程计数器的分频数可由核算机软件操控，因而可方便地调整采样频率，以习惯纷歧样转速下传动链差错的丈量。④体系的细分精度和丈量精度较高，便于构成智能化、多功用丈量体系。

3.2钻床传动差错计数丈量方法

模仿比相和数字比相均为同频比相，为取得同频比相信号，有进行传动比分频；为各差错规模不致发作2π相位翻转，还需要进行量程分频。因为分频会下降丈量分辨率，因而有在分频前行倍频，这就使丈量体系变得较为杂乱。此外，关于非整数传动比因无法分频而不能进行丈量。

数字计数丈量法选用非同频比相，因而不需对两路脉冲信号进行分频处置，可直接使用两传感器输出脉冲之间的数量联系来核算钻床传动差错。

（1）直接计数丈量法

直接计数丈量法原理：设输入、输出轴传感器的每转输出信号数别离为λ1、λ2，挑选输出轴θ2作为基准轴，采样距离T等于θ2脉冲信号的周期或它的整数倍。依据传动差错的定义，第j次采样时的传动差错为：δ（j）＝［N1（tj）-N2（tj）（iλ1/λ2）］2π/λ1。

因为θ1、θ2是时刻上离散的脉冲序列，因而在丈量过程中，采样时刻距离（N2个θ2脉冲）内θ1脉冲的计数N1（tj）是随时刻而改动的，且通常为非整数。这样，其小数有些Δ所形成的差错Δ2π/λ1就被忽略了。此外，实践传动体系的（iλ1/λ2）不总为整数，即脉冲θ1的频率不是θ2的整数倍，如将N1理论视为整数处置将形成理论差错，然后约束其运用规模。

（2）微机细分计数丈量法

微机细分计数丈量法的丈量步骤为：①曾经一个θ2脉冲作为开门信号，后一个θ2脉冲作为关门信号，用计数器对θ1的脉冲个数N0进行计数；②使用时钟脉冲CP对脉冲序列θ1进行插值细分，对θ1脉冲信号的小数周期计数值TΔ和整数周期计数值T2别离计数；③核算传动差错：δ（t）＝（N0+TΔ/T2-iλ1/λ2）2π/λ1。

微机细分计数丈量法具有以下长处：①可有用减小丈量差错Δ；②可充分使用核算机内部资本及软件操控来简化外部硬件电路；③将丈量采样、数据处置和成果剖析融为一体，完成了智能化丈量。