滚齿机传动链误差测量误差分析及辨识
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叶 装备制造技术曳 2019 年第 04 期
检测与测试
滚齿机传动链误差测量误差分析及辨识
龙 谭 1，王时龙 1，任 磊 1，杨 勇 2
渊 1.重庆大学袁机械传动国家重点实验室袁重庆 400044曰2.重庆机床集团有限责任公司袁重庆 400055冤
摘 要：滚齿机传动链误差检测平台的测量误差直接影响滚齿机传动链误差的测量结果袁导致难以精确补偿滚齿机传动 链误差和准确诊断滚齿机传动链故障遥为提高滚齿机传动链误差测量准确性袁消除圆光栅的制造和安装误差对测量结果 的干扰袁首先分析了由圆光栅制造及装配误差引起的测量误差对滚齿机传动链误差测量的影响袁然后基于不同安装位置 下的测量误差相位特征和离散傅里叶逆变换方法辨识测量误差袁该方法在 Y D A 31 32 型滚齿机上进行了实验验证遥 结果 表明袁该方法能准确辨识检测平台的测量误差袁消除了对传动链误差测量结果的干扰袁提高了测量准确性袁具有低成本尧 高可行性的优点遥 关键词：滚齿机曰传动链曰传动链误差曰测量误差曰误差补偿
本文考虑圆光栅的制造误差和装配误差袁 分析 传动链误差测量平台的测量误差曰 基于测量误差相 位特性提出了一种新的修正测量系统误差的方法袁 通过两次不同安装位置下的测量数据计算并消除测 量误差曰基于 YDA1132 型滚齿机的实验表明该方法 能准确计算并消除测量误差袁同时流程简单成本低遥
1 测量误差分析及辨识原理
滚刀轴转角曰琢 为工作台与滚刀转速比遥
如图 1 所示袁 工作台与滚刀轴末端分别安装高
精度圆光栅袁同步采集滚刀轴和工作台的角位置袁计
算传动链误差遥 主要设备详细参数如表 1 所示遥
滚刀轴
圆光栅-B
滚
齿
机
圆光栅-C
工作台
细分盒-B 细分盒-C
计算机 数字信号 渊 PXIe-1071冤 采集卡 渊 PXI-7842R冤
主程序 计数 程序
图 1 传动链误差测量平台
表 1 主要实验设备参数表
设备 圆光栅-C 细分盒-C 圆光栅-B 细分盒-B
参数 23600 线 细分 50 倍 20000 线 细分 25 倍
为明确传动链误差沿工作台的空间分布情况袁
首先测量圆光栅参考点相对机床工作台原点的相位
差袁 并从第一次检测到圆光栅的参考点开始进入计
1
Equipment Manufacturing Technology No.04袁2019
轮箱尧工作台电机以及工作台传动装置遥 传动链误差
即为由传动副传动误差和伺服控制误差引起的工作
台和滚刀轴间的相对运动误差袁如式渊 1冤 所示遥
eT = 渍C - 琢渍B
渊 1冤
式中袁eT 为传动链误差曰渍C 为工作台转角曰渍B 为
数程序曰计数程序以圆光栅-C 产生的 TTL 信号的下
降沿为触发信号袁 将 2 路编码信号的计数值写入
FIFO 结构袁主程序读取 FIFO 中的计数值计算再该点
处的传动链误差遥
1.2 测量误差分析
圆光栅的刻线在制造过程中无法保证完全均
匀袁 且在安装过程中刻线与读数头之间存在相对位
姿误差遥 因此袁圆光栅测量角位移时存在与读数头位
刻线沿圆光栅钢毂周向分布袁 读数头检测扫过
1.1 传动链误差测量方案 滚齿机传动链包括滚刀轴电机尧滚刀箱尧电子齿
收稿日期：2019-01-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目渊 51635003冤 曰重点产业共性关键技术创新专项项目渊 cstc2017zdcy-zdzxX0005冤 曰重庆市博士
后科研项目特别资助项目渊 Xm2017044冤 作者简介：龙 谭渊 1994-冤 袁男袁湖南人袁硕士研究生袁主要从事滚齿机床精度研究遥 通讯作者：王时龙渊 1966-冤 袁男袁湖南人袁教授袁博士生导师袁研究方向院机电一体化遥
为保证测量的精确性袁Du 等人 研 [15] 究了包含齿 轮的驱动系统的编码器测量误差袁 并提出一种减少 编码器误差的方法曰Li 等[16]基于阿贝原则分析了转台 倾斜运动误差和径向运动误差引起的圆光栅角位移 测量误差及其对转台定位精度的影响规律曰Lopez 等 人[17]分析了振动对和读数头的摆动引起的编码器测 量误差袁 并基于对恶化的测量信号的利萨如图的拟 合技术提高传感器精度遥 除上述方法外袁雷尼绍海德 汉等厂商推出了多读数头的圆光栅以消除测量误 差袁但成本高昂且安装不便遥 针对基于单读数头圆光 栅的传动链误差测量系统的测量误差分析及消除技 术亟待研究遥
基于编码器和圆光栅广泛用于滚齿机床传动链 误差的测量[3-6]袁离散角度采样的方法适合于使用编 码器测量旋转机械中多路信号的情况[7]曰Palermo 等 人[8]讨论了使用低成本数字编码器来测量高速传动 系统的方法曰Zhou 等人[9]和 Zhao 等人[10-11]利用机床内 置编码器采集机床传动链的传动误差信号袁 用于确 定传动链中的故障源曰Brecher 等人[12]测量齿轮组传 动误差和噪声情况以研究齿轮组的传动误差与齿轮 箱在其应用中的噪声特性之间的相关性曰彭等人[13]和 李等人[14]利用 FMT 系统对滚齿机进行传动误差测 量袁并通过修正传动齿轮遥 通过传动链误差准确分析 机床传动链性能以及传动链误差精确补偿的前提为 传动链误差的精确测量遥
置相关的测量误差误差遥 圆光栅误差对传动误差的
作用为院
吟越
em i
渊 2冤
式中吟为圆光栅测量误差对传动链误差测量值
的贡献量曰i 为圆光栅与工作台转速比曰em 为圆光栅 误差遥
滚刀轴的圆光栅与工作台转速比通常较高袁而
Hale Waihona Puke Baidu
工作台的圆光栅与工作台转速比为 1遥 因此袁传动链 误差测量系统的误差主要由工作台编码器引起袁而 滚刀轴的圆光栅的误差的影响可忽略不计遥
中图分类号：TG61.2
文献标识码：A
文章编号：1672-545X（2019）04-0001-05
0 引言
滚齿加工是一种生产效率高尧 应用广的齿形加 工方法[1]遥 滚刀轴尧电子齿轮箱和工作台构成滚齿机 传动链袁是滚齿机的关键核心部件遥 滚齿机传动链误 差不仅会引起工件齿轮的螺距误差尧 齿廓误差和工 件螺旋误差袁还会诱导滚齿机的振动和噪声[2]遥 准确 测量传动链误差袁 对通过传动链误差准确分析机床 传动链性能以及传动链误差精确补偿具有十分重要 的意义遥
检测与测试
滚齿机传动链误差测量误差分析及辨识
龙 谭 1，王时龙 1，任 磊 1，杨 勇 2
渊 1.重庆大学袁机械传动国家重点实验室袁重庆 400044曰2.重庆机床集团有限责任公司袁重庆 400055冤
摘 要：滚齿机传动链误差检测平台的测量误差直接影响滚齿机传动链误差的测量结果袁导致难以精确补偿滚齿机传动 链误差和准确诊断滚齿机传动链故障遥为提高滚齿机传动链误差测量准确性袁消除圆光栅的制造和安装误差对测量结果 的干扰袁首先分析了由圆光栅制造及装配误差引起的测量误差对滚齿机传动链误差测量的影响袁然后基于不同安装位置 下的测量误差相位特征和离散傅里叶逆变换方法辨识测量误差袁该方法在 Y D A 31 32 型滚齿机上进行了实验验证遥 结果 表明袁该方法能准确辨识检测平台的测量误差袁消除了对传动链误差测量结果的干扰袁提高了测量准确性袁具有低成本尧 高可行性的优点遥 关键词：滚齿机曰传动链曰传动链误差曰测量误差曰误差补偿
本文考虑圆光栅的制造误差和装配误差袁 分析 传动链误差测量平台的测量误差曰 基于测量误差相 位特性提出了一种新的修正测量系统误差的方法袁 通过两次不同安装位置下的测量数据计算并消除测 量误差曰基于 YDA1132 型滚齿机的实验表明该方法 能准确计算并消除测量误差袁同时流程简单成本低遥
1 测量误差分析及辨识原理
滚刀轴转角曰琢 为工作台与滚刀转速比遥
如图 1 所示袁 工作台与滚刀轴末端分别安装高
精度圆光栅袁同步采集滚刀轴和工作台的角位置袁计
算传动链误差遥 主要设备详细参数如表 1 所示遥
滚刀轴
圆光栅-B
滚
齿
机
圆光栅-C
工作台
细分盒-B 细分盒-C
计算机 数字信号 渊 PXIe-1071冤 采集卡 渊 PXI-7842R冤
主程序 计数 程序
图 1 传动链误差测量平台
表 1 主要实验设备参数表
设备 圆光栅-C 细分盒-C 圆光栅-B 细分盒-B
参数 23600 线 细分 50 倍 20000 线 细分 25 倍
为明确传动链误差沿工作台的空间分布情况袁
首先测量圆光栅参考点相对机床工作台原点的相位
差袁 并从第一次检测到圆光栅的参考点开始进入计
1
Equipment Manufacturing Technology No.04袁2019
轮箱尧工作台电机以及工作台传动装置遥 传动链误差
即为由传动副传动误差和伺服控制误差引起的工作
台和滚刀轴间的相对运动误差袁如式渊 1冤 所示遥
eT = 渍C - 琢渍B
渊 1冤
式中袁eT 为传动链误差曰渍C 为工作台转角曰渍B 为
数程序曰计数程序以圆光栅-C 产生的 TTL 信号的下
降沿为触发信号袁 将 2 路编码信号的计数值写入
FIFO 结构袁主程序读取 FIFO 中的计数值计算再该点
处的传动链误差遥
1.2 测量误差分析
圆光栅的刻线在制造过程中无法保证完全均
匀袁 且在安装过程中刻线与读数头之间存在相对位
姿误差遥 因此袁圆光栅测量角位移时存在与读数头位
刻线沿圆光栅钢毂周向分布袁 读数头检测扫过
1.1 传动链误差测量方案 滚齿机传动链包括滚刀轴电机尧滚刀箱尧电子齿
收稿日期：2019-01-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目渊 51635003冤 曰重点产业共性关键技术创新专项项目渊 cstc2017zdcy-zdzxX0005冤 曰重庆市博士
后科研项目特别资助项目渊 Xm2017044冤 作者简介：龙 谭渊 1994-冤 袁男袁湖南人袁硕士研究生袁主要从事滚齿机床精度研究遥 通讯作者：王时龙渊 1966-冤 袁男袁湖南人袁教授袁博士生导师袁研究方向院机电一体化遥
为保证测量的精确性袁Du 等人 研 [15] 究了包含齿 轮的驱动系统的编码器测量误差袁 并提出一种减少 编码器误差的方法曰Li 等[16]基于阿贝原则分析了转台 倾斜运动误差和径向运动误差引起的圆光栅角位移 测量误差及其对转台定位精度的影响规律曰Lopez 等 人[17]分析了振动对和读数头的摆动引起的编码器测 量误差袁 并基于对恶化的测量信号的利萨如图的拟 合技术提高传感器精度遥 除上述方法外袁雷尼绍海德 汉等厂商推出了多读数头的圆光栅以消除测量误 差袁但成本高昂且安装不便遥 针对基于单读数头圆光 栅的传动链误差测量系统的测量误差分析及消除技 术亟待研究遥
基于编码器和圆光栅广泛用于滚齿机床传动链 误差的测量[3-6]袁离散角度采样的方法适合于使用编 码器测量旋转机械中多路信号的情况[7]曰Palermo 等 人[8]讨论了使用低成本数字编码器来测量高速传动 系统的方法曰Zhou 等人[9]和 Zhao 等人[10-11]利用机床内 置编码器采集机床传动链的传动误差信号袁 用于确 定传动链中的故障源曰Brecher 等人[12]测量齿轮组传 动误差和噪声情况以研究齿轮组的传动误差与齿轮 箱在其应用中的噪声特性之间的相关性曰彭等人[13]和 李等人[14]利用 FMT 系统对滚齿机进行传动误差测 量袁并通过修正传动齿轮遥 通过传动链误差准确分析 机床传动链性能以及传动链误差精确补偿的前提为 传动链误差的精确测量遥
置相关的测量误差误差遥 圆光栅误差对传动误差的
作用为院
吟越
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渊 2冤
式中吟为圆光栅测量误差对传动链误差测量值
的贡献量曰i 为圆光栅与工作台转速比曰em 为圆光栅 误差遥
滚刀轴的圆光栅与工作台转速比通常较高袁而
Hale Waihona Puke Baidu
工作台的圆光栅与工作台转速比为 1遥 因此袁传动链 误差测量系统的误差主要由工作台编码器引起袁而 滚刀轴的圆光栅的误差的影响可忽略不计遥
中图分类号：TG61.2
文献标识码：A
文章编号：1672-545X（2019）04-0001-05
0 引言
滚齿加工是一种生产效率高尧 应用广的齿形加 工方法[1]遥 滚刀轴尧电子齿轮箱和工作台构成滚齿机 传动链袁是滚齿机的关键核心部件遥 滚齿机传动链误 差不仅会引起工件齿轮的螺距误差尧 齿廓误差和工 件螺旋误差袁还会诱导滚齿机的振动和噪声[2]遥 准确 测量传动链误差袁 对通过传动链误差准确分析机床 传动链性能以及传动链误差精确补偿具有十分重要 的意义遥