基于内置传感器的传动链动态精度检测及评估技

摘要：文章以动态传动误差的分析评估和精确定位为研究目标，通过基于机床内置传感器的测试方案设计、编码器信号的预处理手段以及传动误差的信号分析方法研究，建立了一种高效、精确的传动链动态测量与分析方法，为机床传动精度的进一步提高提供有效的分析手段。
关键词：内置传感器   编码器   传动链动态精度检测
1 前言
对目前公司磨齿机及加工中心系列产品而言，机床的传动链误差直接影响被加工工件的加工精度及加工效率。因此有必要对机床的关键部件进行传动链误差及传动性能的动态精准测试，保证机床的加工质量和加工效率，从加工可靠性角度节省加工成本。
国内外对于数控机床伺服进给精度的评估大多通过对机床圆运动的检测来实现^[1][2]，此种方法能够实现机床进给轴的状态信息获取和机床静态性能的评估，但是难以在线获得数控机床伺服进给系统的动态信息。课题通过基于机床内置传感器的测试方案设计、编码器信号的预处理手段以及传动误差的信号分析方法研究，建立一种高效、精确的传动链动态测量与分析方法，为机床传动精度的进一步提高提供有效的分析手段。
2 信息获取及信号预处理
动态精度测试系统硬件部分主要包括采集卡、工控机和打印机。测试原理如图1所示，工控机作为硬件平台的核心，驱动采集卡以一定的采样频率直接从机床伺服控制系统同步读取各运动轴的位置信息，通过信号处理方法获得多轴同步性数据及传动误差量值，进而实现多轴同步性评估和传动误差溯源。

编码器信号的预处理主要包括以下两个部分：
1) 信号类型转换
从伺服系统直接获取的编码器信号为光栅条纹的计数信息，为了进行传动误差分析，需要将该信号通过差分方法转化为位移量、速度、加速度信息等动态特性。
2) 误差信号的滤除
编码器信号由于受到采样频率误差、同步性误差、硬件内插误差、传输干扰等因素的影响，如果直接进行传动误差计算，将导致计算精度下降，甚至影响分析结论。因此，必须并采用合适的误差抑制与滤除手段，提高信号的信噪比。
对于公司的齿轮磨削加工而言，引起传动误差的因素很多，包括齿形误差、齿轮圆度误差、齿轮偏心、跟随误差等，直接测得的传动误差数值是以上几种误差综合反映的结果，需要根据各误差类型的时、频特征将各误差因素进行识别，并定量给出各误差的大小及方位。
3 研究应用
基于内置传感器的传动链动态精度检测及评估技术可用于机床某两轴之间的机械或电子传动链的传动误差、传动性能的动态精准测试；机床某单个轴的传动平稳性及均匀性的动态精准测试；配置高精度进口光栅尺、编码器及其他辅助工装夹具，也可用于精密齿轮箱、减速箱、高精度蜗轮副、精密滚珠丝杠副等关键部件的传动误差及角位移量传动性能的动态精准测试。
1．研究采用基于机床内置传感器的动态传动误差测量方案，直接从机床伺服系统实时获取传动轴的位置信息，和传统测量方法相比，在降低测试系统复杂性、减少硬件开支的同时，提高被测信息的可靠性。
2．通过信号预处理手段，将光栅计数信号转化为位置、速度、加速度信息，并通过数字滤波方法，提高了信号的信噪比。
3．在传动误差分析中，综合利用不同误差类型的时、频特征，将各类误差进行识别与分离，并定量给出各因素的大小及方位，对传动误差补偿与消除以及传动链动态性能评估有着重要的实际意义。
此外，开放式数控系统的应用使得获取反映数控机床状态的本体信息相对容易，结合先进的数据处理技术和特征提取方法，即可实现数控机床状态监测和性能评估。目前，许多数控系统厂商推出了开放式系统商业应用开发库文件，以便于设备生产商进行二次开发。
4 结语
课题研究旨在解决公司磨齿机和加工中心产品在装配、调试及服役过程中出现的问题，提高机床的加工精度和加工效率，提升产品的可靠性和用户口碑。此外，研究不单可以解决公司主打产品的精度提高问题，而且完全可以作为一项长期的技术研究，国内很多机床厂商都对高精度机床的动态精度测试及监测很高的期待，公司在这方面的研究和成果展示也将会给国内机床行业带来巨大的发展商机，使国产机床的精度上一个台阶。
基于内置传感器的传动链动态检测及评估技术与静态精度评估装置相比，可以从机床伺服控制系统直接获取机床传动链在加载工况下的状态信息，真实反映传动误差在加工过程中的动态波动情况。减少了信息的传递路径，使测试信息具有很高的信噪比。由于该技术不需要外置传感器，可显著降低测试系统的成本。
参考文献
[1]. Bryan JB. A simple method for testing measuring machines and machine tools, part 1: principles and application [J]. Precision Engineering ,1982, 4:61-69．
Knapp W. Test of the three-dimensional uncertainty of machine tools and measuring machines and its relation to the machine errors[C]. Annals of the CIRP. 1983,32(1):459-46


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