机床传动误差的测量方法研究综述
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技术综合
摘要：综合评述了机床传动误差测量中常用的测量方法(比相法和计数法)及传感器的选用，介绍了微机细分技术在传动误差测量系统中的应用。
1 引言
2 传感器的选用
(1)光栅传感器
(2)激光传感器
(3)磁栅传感器
(4)感应同步器
汉江机床厂2
21激光
传感器 单频
激光北京机床所
东京大学 0.632 双频
激光成都工具研究所
上海机床厂0.158 磁栅传感器东京大学
重庆大学
华中 理工大学
汉江机床厂
美国威斯康星大学21感应同步器山东工业大 学
汉川机床厂1
20.72
3 机床传动误差的动态测量方法
1、θ2分别为输入、输出 轴的位移(角位移或线位移), 输入、输出之间的理论传动比为i ，如以θ1作为基准，输出轴的实际位移与理论 位移的差值即为传动链误差δ，即 δ=θ2-θ1/i。根据对 位移信号θ1、θ2的测量方 法不同，传动误差测量方法可分为比相测量法和计数测量法两大 类。
3.1 机床传动误差比相测量方法
1、 θ2之间的相位关系反映了传动链的传动误差。 当传动误差TE=0，即传动比恒定时，θ1、 θ2之间保持恒定的相位关系；当传动比i发生 变化时，θ1、θ2之间的相 位关系也随之发生变化。比相测量法就是通过测定 θ1、θ2之间的相位关系来 间接测量传动误差TE。随着数字技术、计算机技术的发展，比相 测量法经历了从模拟比相→数字比相→计算机数字比相的发展过 程。
- 模拟比相法
- 常用的触发式相位计即采用了模拟比相法。模拟比相的原理。两路信号经分频后变为同频率信号进入比相计，它 们之间的时差δt取决于θ
1、 θ2之间的相位差δ(t)。经双稳态触发 器鉴别后，Δt变换为与比相矩形波占空比相对应的模拟量 Δu，占空比的变化即反映了传动链的传动误差。
- 模拟比相测量系统存在以下问题：① δ(t)是以 2π为周期并按一定规律变化的周期函数，设f为相位变化频率 ，ω=2πf为角频率，则有&delta(t)=δ(ωt) 。两信号比相时的波形图见图2b。此时，相位测量是以1/f为周期 的重复测量，由条件0≤δ(ωt)≤2π可知， Δu与δ(t)具有线性关系。由于δ(ωt) 呈周期变化，因此要求模拟记录表头的时间常数：小于被测变化 相位差的周期，即：τ≤1/f，否则在前一个相位变化周期内 还未获得准确读数时，后一个周期已开始重复，这样就无法实时 记录相位差的变化。因此模拟比相法的动态测量性能较差，不能 适应实时分析处理的动态测量要求。② 测量分辨率与测量范围相 互制约，如提高分辨率，则会减小量程，为此需配置量程选择电 路，被测信号的相位差必须小于360°。③ 要求进入比相计的 两路信号频率相同，即只能进行同频比相，因此两路信号的分频/ 倍频器必须满足传动比变化要求，电路结构复杂，抗干扰能力差 ，适用范围较小。
- 常用的触发式相位计即采用了模拟比相法。模拟比相的原理。两路信号经分频后变为同频率信号进入比相计，它 们之间的时差δt取决于θ
- 数字比相法
- 数字比相采用逻辑门和计数器来实现，相位差直接以数字量形式输出，其比相原理。两同频信号 θ
1/θ2经放大整形后得到两 组脉冲信号u1、u1，它们分别通过逻辑 门电路控制计数器的开、关。计数器的计数结果即为 θ1、θ1之间的时间间隔 Δt, 它与相位差δ(t)成正比。设比相信号周期为T ，则有δ(t)=2πΔt/T。
- 数字比相测量法的主要特点为：① 由于Δt值不仅取决 于两信号的相位差&delta(t)，而且还与两信号的频率有关。因 此，为获得较高精度的测量结果，就必须保证两比相脉冲信号和 时钟信号均有较高精度。在一个比相周期T内，任何引起比相信号 频率变化的因素都将影响测量结果。② 虽然数字比相弥补了模拟 比相的一些不足，测量稳定性和可靠性有所提高，但仍然只能适 用于同频比相。
- 数字比相采用逻辑门和计数器来实现，相位差直接以数字量形式输出，其比相原理。两同频信号 θ
- 微机细分比相法
- 20世纪80年代以来，测试仪器微机化成为测量技术的重要发 展趋势。在机床传动误差测量中，微机细分比相法(测量原理)开始得到广泛应用。
- 微机细分比相法是数字比相法的微机化应用。由于计算机具 有强大的逻辑、数值运算功能和控制功能，极易实现两路信号的 高频时钟细分、比相及输出，因此外围线路的制作比较简单。如 图3b所示，传动误差为δ(t)=2πN
t/N。在 比相过程中，高频脉冲Ø不再由外部振荡电路产生，而直接 采用计算机内部的时钟CP；脉冲CP的计数不再采用逻辑门电路计 数器，而采用计算机内的可编程定时/计数器。微机细分比相测量 法具有如下优点：① 两路比相信号无须频率相同(即被测传动链 的传动比可为任意值)，在传动链误差的计算中，传动比为一常数。② 比相相 位差可为任意值，不受相位差必须小于360°的限制。③ 实现 了时钟细分与比相的一体化，使硬件接口线路大大简化。由于可 编程计数器的分频数可由计算机软件控制，因此可方便地调整采 样频率，以适应不同转速下传动链误差的测量。④ 系统的细分精 度和测量精度较高，便于构成智能化、多功能测量系统。 - 20世纪80年代以来，测试仪器微机化成为测量技术的重要发 展趋势。在机床传动误差测量中，微机细分比相法(测量原理)开始得到广泛应用。
3.2 机床传动误差计数测量方法
- 直接计数测量法
- 直接计数测量法原理。设输入、输出轴传感器的每转输 出信号数分别为λ
1、λ2 ，选择输出轴θ2作为基准轴，采样间隔T等于 θ2脉冲信号的周期或它的整数倍。根据传动误 差的定义，第j次采样时的传动误差为：δ(j)= [N1(tj)-N2 (tj (iλ1/&lambda2)] 2π/λ1。- 由于θ
1、θ2是时间上 离散的脉冲序列，因此在测量过程中，采样时间间隔 (N2个θ2脉冲)内 θ1脉冲的计数N1 (tθj)是随时间而变化的，且通常为非整数( 见图5)。这样，其小数部分Δ所造成的误差 Δ2π/λ1就被忽略了。此外，实际传 动系统的(iλ1/λ2)不 一定总为整数，即脉冲θ1的频率不一定是 θ2的整数倍，如将N1理论视为整 数处理将造成理论误差，从而限制其应用范围。 - 直接计数测量法原理。设输入、输出轴传感器的每转输 出信号数分别为λ
- 微机细分计数测量法
- 微机细分计数测量法原理。该方法的测量步骤为：① 以前一个θ
2脉冲作为开门信号，后一个 θ2脉冲作为关门信号，用计数器对 θ1的脉冲个数N1进行计数；② 利 用时钟脉冲CP对脉冲序列θ1进行插值细分，对 θ1脉冲信号的小数周期计数值 TΔ和整数周期计数值T2分别计数 ；③ 计算传动误差：&delta(t)= (N0+TΔ/T2- iλ1/λ2) 2πλ1。- 微机细分计数测量法具有以下优点：① 可有效减小测量误差 Δ；② 可充分利用计算机内部资源及软件控制来简化外部 硬件电路；③ 将测量采样、数据处理和结果分析融为一体，实现 了智能化测量。
- 微机细分计数测量法原理。该方法的测量步骤为：① 以前一个θ
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