數(shù)控機(jī)床傳動誤差的測量方法

數(shù)控機(jī)床傳動誤差的測量方法：

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(zhǔn),輸出軸的實(shí)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(jì)數(shù)測量法兩大類。

1、機(jī)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(dāng)傳動誤差TE=0 ,即傳動比恒定時(shí), θ1、θ2之間保持恒定的相位關(guān)系;當(dāng)傳動比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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)數(shù)字比相的發(fā)展過程。

(1 )模擬比相法

常用的觸發(fā)式相位計(jì)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(jì),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(wěn)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(yīng)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(tǒng)存在以下問題:

①δ (t)是以2π為周期并按一定規(guī)律變化的周期函數(shù) ,設(shè)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(fù)測量, 由條件0≤δ( ωt)≤2π可知, Δu與δ(t)具有線性關(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(shù)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(nèi)還未獲得準(zhǔn)確讀數(shù)時(shí),后一個(gè)周期已開始重復(fù)，這樣就無法實(shí)時(shí)記錄相位差的變化。因此模擬比相法的動態(tài)測量性能較差,不能適應(yīng)實(shí)時(shí)分析處理的動態(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(jì)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/倍頻器必須滿足傳動比變化要求,電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,抗干擾能力差,適用范圍較小。

(2)數(shù)字比相法

數(shù)字比相采用邏輯I ]和計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn),相位差直接以數(shù)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 ,它們分別通過邏輯[門電路控制計(jì)數(shù)器的開、關(guān)。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)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(shè)比相信號周期為T ,則有δ (t) =2πΔt/T.

數(shù)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(jié)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(nèi),任何引起比相信號頻率變化的因素都將影響測量結(jié)果。

②雖然數(shù)字比相彌補(bǔ)了模擬比相的一些不足，測量穩(wěn)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(jī)細(xì)分比相法

20世紀(jì)80年代以來,測試儀器微機(jī)化成為測量技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。在機(jī)床傳動誤差測量中,微機(jī)細(xì)分比相法開始得到廣泛應(yīng)用。

微機(jī)細(xì)分比相法是數(shù)字比相法的微機(jī)化應(yīng)用。由于計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的邏輯、數(shù)值運(yùn)算功能和控制功能,極易實(shí)現(xiàn)兩路信號的高頻時(shí)鐘細(xì)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(chǎn)性,而直接采用計(jì)算機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘CP ;脈沖CP的計(jì)數(shù)不再采用邏輯門電路計(jì)數(shù)器,而采用計(jì)算機(jī)內(nèi)的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器。微機(jī)細(xì)分比相測量法具有如下優(yōu)點(diǎn):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(jì)算中 ,傳動比為一常數(shù)。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(xiàn)了時(shí)鐘細(xì)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(jì)數(shù)器的分頻數(shù)可由計(jì)算機(jī)軟件控制,因此可方便地調(diào)整采樣頻率,以適應(yīng)不同轉(zhuǎn)速下傳動鏈誤差的測量。④系統(tǒng)的細(xì)分精度和測量精度較高,便于構(gòu)成智能化、多功能測量系統(tǒng)。

2、機(jī)床傳動誤差計(jì)數(shù)測量方法

模擬比相和數(shù)字比相均為同頻比相,為獲得同頻比相信號,必須首先進(jìn)行傳動比分頻;為保證各誤差范圍不致發(fā)生2π相位翻轉(zhuǎn)，還需要進(jìn)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(jìn)行倍頻,這就使測量系統(tǒng)變得較為復(fù)雜。此外,對于非整數(shù)傳動比因無法分頻而不能進(jìn)行測量。

數(shù)字計(jì)數(shù)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(shù)量關(guān)系來計(jì)算機(jī)床傳動誤差。

(1 )直接計(jì)數(shù)測量法

直接計(jì)數(shù)測量法原理:設(shè)輸入、輸出軸傳感器的每轉(zhuǎn)輸出信號數(shù)分別為λ1、λ2 ,選擇輸出軸02作為基準(zhǔn)軸,采樣間隔T等于θ2脈沖信號的周期或它的整數(shù)倍。根據(jù)傳動誤差的定義,第j次采樣時(shí)的傳動誤差為: 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,因此在測量過程中,采樣時(shí)間間隔( N2個(gè)θ2脈沖)內(nèi)θ1脈沖的計(jì)數(shù)N1 (tj)是隨時(shí)間而變化的,且通常為非整數(shù)。這樣,其小數(shù)部分θ所造成的誤差Δ2π/λ1就被忽略了。此外,實(shí)際傳動系統(tǒng)的( iλ1/Δ2)不一定總為整數(shù),即脈沖θ1的頻率不一定是θ2的整數(shù)倍,如將N1理論視為整數(shù)處理將造成理論誤差,從而限制其應(yīng)用范圍。

( 2 )微機(jī)細(xì)分計(jì)數(shù)測量法

微機(jī)細(xì)分計(jì)數(shù)測量法的測量步驟為:

①以前一個(gè)2脈沖作為開門信號，后一個(gè)2脈沖作為關(guān)門信號 , 用計(jì)數(shù)器對θ1的脈沖個(gè)數(shù)N0進(jìn)行計(jì)數(shù);

②利用時(shí)鐘脈沖CP對脈沖序列θ1進(jìn)行插值細(xì)分,對θ1脈沖信號的小數(shù)周期計(jì)數(shù)值TO和整數(shù)周期計(jì)數(shù)值T2分別計(jì)數(shù);

③計(jì)算傳動誤差:δ(t) = ( NO+TO/T2-iX1/Δ2 ) 2π/λ1.

微機(jī)細(xì)分計(jì)數(shù)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(jì)算機(jī)內(nèi)部資源及軟件控制來簡化外部硬件電路;③將測量采樣、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析融為一體,實(shí)現(xiàn)了智能化測量。