基于振動(dòng)信號(hào)處理技術(shù)的傳動(dòng)鏈誤差分析

摘要：以某數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了該數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。為進(jìn)一步提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性，文章對(duì)機(jī)床軸系振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理分析，研究了該數(shù)控機(jī)床的多軸同步性、動(dòng)態(tài)傳動(dòng)鏈誤差的測(cè)量、分析與溯源。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；傳動(dòng)系統(tǒng)；傳動(dòng)鏈誤差；振動(dòng)信號(hào)處理技術(shù)

1 磨齒機(jī)工作原理
    加工原理為成形法磨削、即將砂輪軸截面截形修整為齒輪齒槽相適應(yīng)的截面、進(jìn)行成形磨削加工。

2 被測(cè)軸信息
    磨齒機(jī)床C軸是一個(gè)圓形工作臺(tái)，主要用于承載被加工齒輪并完成齒輪磨削過(guò)程中的分度運(yùn)動(dòng)。因此，C軸的運(yùn)動(dòng)精度需要嚴(yán)格控制，其回轉(zhuǎn)誤差將直接導(dǎo)致被加工齒輪的周向誤差。C軸的傳動(dòng)鏈如圖1所示：驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出連接傳動(dòng)比為5：1的高精度行星齒輪減速器，然后通過(guò)聯(lián)軸器連接蝸輪蝸桿，帶動(dòng)工作臺(tái)同轉(zhuǎn)。其中，蝸輪齒數(shù)為215齒，蝸樸為單線(xiàn)。因此，從驅(qū)動(dòng)電機(jī)到C軸工作臺(tái)的總傳動(dòng)比為：215*5= 1075。以該傳動(dòng)鏈作為被測(cè)對(duì)象，將C軸設(shè)為一號(hào)軸，其光柵條紋數(shù)為45000。驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)為二號(hào)軸，其光柵條紋數(shù)為1024。

3 瞬時(shí)傳動(dòng)誤差分析
    瞬時(shí)傳動(dòng)誤差是利用相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳動(dòng)誤差計(jì)算，由于測(cè)量步長(zhǎng)較小，因此對(duì)傳動(dòng)誤差的瞬態(tài)波動(dòng)較為敏感?？梢杂糜谟軠y(cè)嚙合齒之間夾雜沙粒，齒面缺陷或者信號(hào)干擾等故障。圖2是73200 3#機(jī)床的瞬時(shí)傳動(dòng)誤差曲線(xiàn)，可以看出該機(jī)床瞬時(shí)傳動(dòng)誤差曲線(xiàn)較為平穩(wěn)，最大瞬時(shí)傳動(dòng)誤差為1．67角秒。

4 累計(jì)傳動(dòng)誤差分析
    累計(jì)傳動(dòng)誤差是指?jìng)鲃?dòng)誤差累計(jì)值隨測(cè)量轉(zhuǎn)角的變化情況。累計(jì)傳動(dòng)誤差可以用于檢測(cè)傳動(dòng)誤差的周期性波動(dòng)，通過(guò)參考相觸發(fā)采樣，可以將測(cè)量轉(zhuǎn)角與機(jī)床坐標(biāo)中的角位移相對(duì)應(yīng)，便于誤差的定位。
    將采樣周期設(shè)為5周，測(cè)得該機(jī)床C軸傳動(dòng)鏈的累計(jì)誤差曲線(xiàn)如圖3所示，可以看出，累計(jì)傳動(dòng)誤差峰峰值為6．61E-3度，即23．8角秒，其周期性特征較為明顯。從累計(jì)傳動(dòng)誤差曲線(xiàn)上可以清晰地分辨累計(jì)傳動(dòng)誤差最大值、最小值、過(guò)零點(diǎn)以及齒形缺陷點(diǎn)的角度位置，為傳動(dòng)系統(tǒng)修整和補(bǔ)償提供依據(jù)。

5 傳動(dòng)鏈誤差的頻譜特征
    將累計(jì)傳動(dòng)鏈誤差曲線(xiàn)做FFT變換，并將C軸的轉(zhuǎn)頻作為基頻，得到的頻譜特征如圖4所示：可以看出C軸的1倍頻分量最為明顯，2倍頻和4倍頻分量也有一定體現(xiàn)。從表1可以看出可以得到1倍頻分量對(duì)累計(jì)傳動(dòng)誤差貢獻(xiàn)最大，該特征是由于蝸輪或圓光柵安裝偏心所導(dǎo)致，2倍頻和4倍頻分量由于蝸輪的周向誤差引起。

6 結(jié)論
    瞬時(shí)傳動(dòng)誤差對(duì)傳動(dòng)誤差的瞬態(tài)波動(dòng)較為敏感?？梢杂糜跈z測(cè)嚙合齒之間夾雜沙粒，齒面缺陷或者信號(hào)干擾等故障。而累計(jì)傳動(dòng)誤差可以用于檢測(cè)由于蝸輪或圓光柵安裝偏心所導(dǎo)致的傳動(dòng)誤差周期性波動(dòng)。通過(guò)利用光柵參考相觸發(fā)采樣，可以將測(cè)量轉(zhuǎn)角與機(jī)床坐標(biāo)中的真實(shí)角位移相對(duì)應(yīng)，便于誤差的定位。而進(jìn)一步通過(guò)累計(jì)傳動(dòng)誤差的頻譜分析方法，可以找出各特征頻率分量對(duì)傳動(dòng)誤差的貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)誤差的溯源。
    瞬時(shí)傳動(dòng)誤差及累計(jì)傳動(dòng)誤差方法分析不僅可用于高精度數(shù)控機(jī)床的在線(xiàn)檢測(cè)與分析，而且可以用于評(píng)定機(jī)床在服役過(guò)程中傳動(dòng)精度的保持情況和關(guān)鍵傳動(dòng)部件的健康狀態(tài)，為運(yùn)行狀態(tài)的故障溯源及精度衰退規(guī)律研究提供更加豐富的信息。