數控機床傳動誤差的測量方法

數控機床傳動誤差的測量方法：

傳動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測量法兩大類。

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系;當傳動比i發生變化時, θ1、θ2之間的相位關系也隨之發生變化。比相測量法就是通過測定θ1、θ2之間的相位關系來間接測量傳動誤差TE。隨著數字技術、計算機技術的發展,比相測量法經歷了從模擬比相→數字比相→計算機數字比相的發展過程。

(1 )模擬比相法

常用的觸發式相位計即采用了模擬比相法。模擬比相的原理:兩路信號經分頻后變為同頻率信號進入比相計,它們之間的時差Δt取決于θ1、θ2之間的相位差δ(t)。 經雙穩態觸發器鑒別后, 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鏈的傳動誤差。

模擬比相測量系統存在以下問題:

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,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)具有線性關系。由于δ(ωt)呈周期變化,因此要求模擬記錄表頭的時間常數T小于被測變化相位差的周期,即r≤1/f ,否則在前一一個相位變化周期內還未獲得準確讀數時,后一個周期已開始重復，這樣就無法實時記錄相位差的變化。因此模擬比相法的動態測量性能較差,不能適應實時分析處理的動態測量要求。

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要求進入比相計的兩路信號頻率相同,即只能進行同頻比相,因此兩路信號的分頻/倍頻器必須滿足傳動比變化要求,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 ]和計數器來實現,相位差直接以數字量形式輸出。比相原理:兩同頻信號θ1、θ2經放大整形后得到兩組脈沖信號u1、u2 ,它們分別通過邏輯[門電路控制計數器的開、關。計數器的計數結果即為θ1、θ2之間的時間間隔Δt,它與相位差δ (t)成正比。設比相信號周期為T ,則有δ (t) =2πΔt/T.

數字比相測量法的主要特點為:

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。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鐘信號均有較高精度。在一個比相周期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,測試儀器微機化成為測量技術的重要發展趨勢。在機床傳動誤差測量中,微機細分比相法開始得到廣泛應用。

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,極易實現兩路信號的高頻時鐘細分、比相及輸出,因此外圍線路的制作比較簡單。傳動誤差為δ (t) = 2πNt/N。在比相過程中,高頻脈沖φ不再由外部振蕩電路產性,而直接采用計算機內部的時鐘CP ;脈沖CP的計數不再采用邏輯門電路計數器,而采用計算機內的可編程定時/計數器。微機細分比相測量法具有如下優點:①兩路比相信號無須頻率相同(即被測傳動鏈的傳動比可為任意值),在傳動鏈誤差的計算中 ,傳動比為一常數。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實現了時鐘細分與比相的一體化,使硬件接口線路大大簡化。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,必須首先進行傳動比分頻;為保證各誤差范圍不致發生2π相位翻轉，還需要進行量程分頻。由于分頻會降低測量分辨率,因此必須在分頻前先進行倍頻,這就使測量系統變得較為復雜。此外,對于非整數傳動比因無法分頻而不能進行測量。

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行分頻處理，可直接利用兩傳感器輸出脈沖之間的數量關系來計算機床傳動誤差。

(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。根據傳動誤差的定義,第j次采樣時的傳動誤差為: δ（j）＝［N1（tj）-N2（tj）（iλ1/λ2）］2π/λ1。

由于θ1、θ2是時間上離散的脈沖序列,因此在測量過程中,采樣時間間隔( N2個θ2脈沖)內θ1脈沖的計數N1 (tj)是隨時間而變化的,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,實際傳動系統的( 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2脈沖作為開門信號，后一個2脈沖作為關門信號 , 用計數器對θ1的脈沖個數N0進行計數;

②利用時鐘脈沖CP對脈沖序列θ1進行插值細分,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點: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簡化外部硬件電路;③將測量采樣、數據處理和結果分析融為一體,實現了智能化測量。