精密传动链传动误差测试方法综述

图 2 磁分度法绝对比相式测量原理图
它采用两个在圆周上录有正弦磁波的标准录磁的磁盘 来测量传动装置的传动误差， 测量时， 将磁盘 1 安装在输 入轴上， 将磁盘 2 安装在输出轴上。 磁盘 1 的磁波数为 N1， 磁 盘 2 的 磁 波 数 为 N2 （N1、 N2 需 为 整 数 ）。 两 磁 盘 的 磁 波 数 之 比 应 等 于 传 动 链 的 传 动 比 i， 即 i＝N1 ／ N2。 在 磁 盘 1 和 磁 盘 2 的 圆 周 上 分 别 设 置 两 个 固 定 磁 头 H1 和 H2 用 来 感应磁盘上的正弦信号。 当传动链工作时， 输入轴和输出 轴 分 别 以 转 速 n1、 n2 旋 转 ， 这 样 ， 磁 头 H1 便 感 应 出 频 率 为 n1N1 的 正 弦 信 号 ； 磁 头 H2 则 感 应 出 频 率 为 n2N2 的 正 弦 信 号 。 由 于 i＝N1 ／ N2， 所 以 n1N1＝n2N2。 即 两 磁 头 感 应 出 的 信号频率相同。 然后， 将两路信号经过放大、 整形， 便可 进入相位计中比相。 当传动装置的传动误差为零时， 则两 路信号将保持恒定的相位差; 当传动装置的传动误差不为 零时， 则其相位差将随之改变。 相位差的变化量即代表传 动装置的传动误差。 在实际测量中， 相位差在相位计中需 进行滤波， 滤掉不需要的高次谐波， 将以电压形式输出， 通过记录仪， 画出传动曲线， 然后通过定标， 得到传动链 的传动误差。
2．3 光栅法
光栅法是利用光栅度盘产生莫尔条纹， 通过光电转 换， 将旋转的角位移转变成电信号输出， 从而测量传动误 差的一种动态测量方法。 目前， 光栅法是最为流行的动态
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精度测试方法， 光栅法测试原理如图 4 所示。 测试时将光栅式角位移传感器分别通过精密联轴器与
（3） 时栅法使几何量位移的测量摆脱了对以空间刻划 技术为代表的精密机械加工的依赖， 逐渐形成基于以时间 计量为代表的电气技术的新型几何量位移测量的新模式， 具有广泛的应用前景。
参考文献： ［1］ 董才， 李桂三， 赵明晶． 传动误差的动态测试法 ［J］ ．长春大
运转时， 输入端和输出端时栅传感器会在一定周期内发出 代表角位移的脉冲当量， 然后进行放大等预处理， 再采用 计数器通过计数分别测量其角位移， 再交由上、 下位机组 成的分布式误差检测分析系统进行处理， 得出误差曲线， 分析误差环节 ［7］。
图 4 光栅法测试原理
使用光栅法测量时不用每次定标； 测量值不受传动比 变化的影响； 仪器的测量精度高； 可测量传动比范围广； 可以垂直使用， 也可水平使用 ； 但一般比较昂贵 ［5］。 它适 用于精密齿轮传动、 精密分度头、 雷达、 跟踪望远镜等精 密传动链误差的测量， 是目前最为流行的一种传动误差动 态测试方法。
静态测量方法的应用如图 1 所示， 图 1 的测试原理为 多面体法， 它利用光学多面棱体并辅助于光栅、 自准平行 光管等设备进行测量。
测量时光栅安装在传动装置输入端上， 输出端安装高 精 度 角 度 计 量 元 件— ——12 面 体 ， 利 用 自 准 平 行 光 管 对 12 面体进行观测并定位。 光栅记录仪所显示的值， 是输入轴
2．2 惯性法
惯性法是一种高精度的动态测量方法， 它利用物体的 惯性原理， 产生理想的匀速旋转运动， 与被测的不均匀旋 转运动相比较而得到角位移偏差的一种测量方法。 所以， 用该方法制成的仪器被称为惯性式回转不均匀性检查仪， 又因为这种仪器和地震仪相似， 因此， 这种方法也被称作 地震仪法。 其测试原理如图 3 所示。
重庆大学彭东林教授针对这些问题提出了以时间测量 空间的时栅测试法， 并研制成功了无需高精度机械加工即 可实现高精度的时栅传感器。 时栅传感器的工作原理是时 空坐标转换思想， 即建立相对匀速运动双坐标系， 则一个 坐标系上的位置之差 （位移） 表现为另一个坐标系上观察 到的时间之差。 同时， 把传感器对刻线尺的要求转化成了 电气问题， 因为解决基于时间的电气问题的手段比解决基 于空间的机械问题的手段要多得多， 先进得多 ［6］。
3 结论
传动误差是精密传动链传递运动的精确度的最重要的 技术指标。 而传动误差测试方法的选取是准确反映传动误 差， 进而对误差进行分析研究的关键。
（1） 静态测量具有一定的缺点和局限性， 但对频率较 低、 精度要求不太严格的传动误差的测量， 因为方法简 单， 造价低， 依然被人们所采用。
（2） 动态测量手段有磁分度法、 惯性法、 光栅法和时 栅法等， 其测量准确， 各有不同的特点， 已经成为现代传 动误差测试的主流。 但具体测试时， 应综合考虑测量精度 与分辨率， 测量的转速范围， 传动比范围； 可测误差的频 率范围以及记录仪的频率响应等因素， 选取合理的检测方 法。
2．4 时栅法
目前， 光栅法是应用广泛的传动误差的动态测试方 法， 精度高， 技术成熟， 但不可避免仍有许多缺点， 其根 本原因在于光栅传感器栅线数难以进一步刻划， 只能依靠 电子细分， 从而引起成本、 可靠性、 抗干扰力等方面的问 题； 而且对光栅的运动速度还附加了限制， 必须运动平 稳、 无突变和相对低速等。
行比相， 所以测量的精度比较高。 但其缺点是需要高精度 的录磁设备； 磁盘易磨损失磁， 寿命较短； 感应信号弱， 不宜用作低速测量； 而且， 这种测量法从信号进来到化成 同频率的过程中经过了多次的处理， 这种即使系统复杂又 容易引入误差， 而且在遇到非整数 （小数、 无理数） 传动 比的时候， 很难实现比相过程 ［4］。
惯性法的测量精度高， 测量频域范围宽， 而且设备相 对比较简单， 测量比较方便， 不需要高精度的测量元件。 相对磁分度法而言， 惯性法可以测量任意数值的传动比， 包括非整数的传动比。 但是， 惯性法对于低频的运动误 差， 因受其固有频率限制是不能测量的。 此外， 当这种仪 器在水平方向旋转时， 由于十字弹簧刚度的影响， 会产生 一个呈正弦变化的固有误差， 影响其测量精度， 最大测量 误差甚至可以达到垂直使用时的 100 倍。
中图分类号： TH132．46
文献标识码： A 文章编号： 1009－9492 (2010) 09－0073－04
近些年随着我国工业技术的迅猛发展， 对装备制造业 提出了更高的要求， 具体包括制造精度、 可靠性、 强度、 刚度等性能， 其中精度和可靠性尤为重要， 其代表了一个 国家的制造业水平。 精密传动链凭借其独特的优点， 在要 求高精度和高动态性能的设备中得到了越来越广泛的应 用， 其对制造业水平的提高， 制造精度和可靠性起到了保 障作用。 因此高精度优良动态性能的传动装置的研制开发 非常重要， 与此同时， 精密传动链的传动误差检测分析也 成为亟待解决的问题之一。 传动系统传动误差的测量有多 种检测手段和方法， 按照其测量的方式来看通常主要有动 态测量和静态测量两种方法， 下面将对其分别进行介绍和 分析说明。
图 1 多面体测试方法原理 静态测量的测量过程是不连续的， 不像动态测量那样 能比较全面地将传动误差揭示出来。 这种测量回转误差的 方法由于其设备简单、 理论比较成熟、 造价较低， 容易实 施， 在早期得到广泛的应用。
2 动态测量
随着精密传动装置的广泛应用， 静态测量法逐渐暴露
收稿日期： 2010－03－28
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研究与开发
精密传动链传动误差测试方法综述
刘Hale Waihona Puke 锋， 李充宁（天津工程师范学院机械工程学院， 天津 300222）
摘要： 精密传动链的回转传动误差检测有多种手段和方法， 通过分析各种传动误差检测方法， 可以看出使用简单光学仪器的静态 测量方法简单、 造价低， 但使用有局限性； 动态测量手段有磁分度法、 惯性法、 光栅法和时栅法等， 其测量准确， 各有不同的特 点， 已经成为现代传动误差测试的主流。 但具体测试时， 应综合考虑测量精度与分辨率， 测量的转速范围， 传动比范围； 可测误 差的频率范围以及记录仪的频率响应等因素， 选取合理的检测方法。 关键词： 传动误差； 静态测试； 动态测试； 时栅法
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了它的缺点和局限性。 精密传动装置的传动误差具有高频 性质， 而静态测量法测量的是传动过程中若干个间断点的 传动误差， 它反映的误差不全面， 并且测得的误差有可能 并不是传动链最大误差， 更无法进行频谱分析， 不便于分 析和查找主要误差来源， 不利于进一步确定提高精度的途 径。 因此， 随着高性能处理器和高精度传感器的普及， 动 态测试己逐渐成为现代测试技术的标志和主流 ［3］。
1 静态测量
静态测量是指将传动链的输入端转过一定角度后停下 来， 在静止的状态下测量输入端和输出端各自的转角， 两 者进行比较从而得到传动误差的方法。 通常选用的仪器有 光学度盘、 经纬仪、 多面体、 数字测角仪、 分度头、 自整 角机以及旋转变压器等 ［1］。 其中， 多面体、 经纬仪、 光学 度盘属于光学式测量， 使用还需分别辅助于自准直光管和 读数显微镜等设备。
被测传动装置的输入轴和输出轴上。 传动装置被驱动后， 输入端和输出轴的角位移信息分别由两路光栅传感器采 集， 并产生反映输入端和输出轴角位移信息的脉冲信号。 然后将这两路脉冲信号传输到计算机， 经过小波降噪， 过 滤掉信号中的干扰成分， 再送入计数器进行脉冲计数。 误 差测量软件模块不断读取计数器的数据， 依次计算出传动 误差。 同时传动误差数值不断地被保存到计算机硬盘的指 定空间， 并同时在显示器上显示出来。 误差测量得到的离 散数据经过时域分析， 最后也由显示器显示出来。
动态测量是指在接近工作时的运行状态下测量输入端 和输出端的转角， 两者进行比较而得到传动误差的方法， 其测量过程是连续的， 或者说是接近于连续的， 因此它能 将传动误差全面地揭示出来。 测量的方法有磁分度法、 惯 性法、 光栅法和时栅法等。