基于振動信號處理技術(shù)的傳動鏈誤差分析

摘要：以某數(shù)控機床傳動系統(tǒng)為研究對象，分析了該數(shù)控機床傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性。為進(jìn)一步提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性，文章對機床軸系振動信號進(jìn)行處理分析，研究了該數(shù)控機床的多軸同步性、動態(tài)傳動鏈誤差的測量、分析與溯源。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；傳動系統(tǒng)；傳動鏈誤差；振動信號處理技術(shù)

1 磨齒機工作原理
    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 被測軸信息
    磨齒機床C軸是一個圓形工作臺，主要用于承載被加工齒輪并完成齒輪磨削過程中的分度運動。因此，C軸的運動精度需要嚴(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軸的傳動鏈如圖1所示：驅(qū)動電機的輸出連接傳動比為5：1的高精度行星齒輪減速器，然后通過聯(lián)軸器連接蝸輪蝸桿，帶動工作臺同轉(zhuǎn)。其中，蝸輪齒數(shù)為215齒，蝸樸為單線。因此，從驅(qū)動電機到C軸工作臺的總傳動比為：215*5= 1075。以該傳動鏈作為被測對象，將C軸設(shè)為一號軸，其光柵條紋數(shù)為45000。驅(qū)動電機設(shè)為二號軸，其光柵條紋數(shù)為1024。

3 瞬時傳動誤差分析
    瞬時傳動誤差是利用相鄰兩個采樣點的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳動誤差計算，由于測量步長較小，因此對傳動誤差的瞬態(tài)波動較為敏感。可以用于榆測嚙合齒之間夾雜沙粒，齒面缺陷或者信號干擾等故障。圖2是73200 3#機床的瞬時傳動誤差曲線，可以看出該機床瞬時傳動誤差曲線較為平穩(wěn)，最大瞬時傳動誤差為1．67角秒。

4 累計傳動誤差分析
    累計傳動誤差是指傳動誤差累計值隨測量轉(zhuǎn)角的變化情況。累計傳動誤差可以用于檢測傳動誤差的周期性波動，通過參考相觸發(fā)采樣，可以將測量轉(zhuǎn)角與機床坐標(biāo)中的角位移相對應(yīng)，便于誤差的定位。
    將采樣周期設(shè)為5周，測得該機床C軸傳動鏈的累計誤差曲線如圖3所示，可以看出，累計傳動誤差峰峰值為6．61E-3度，即23．8角秒，其周期性特征較為明顯。從累計傳動誤差曲線上可以清晰地分辨累計傳動誤差最大值、最小值、過零點以及齒形缺陷點的角度位置，為傳動系統(tǒng)修整和補償提供依據(jù)。

5 傳動鏈誤差的頻譜特征
    將累計傳動鏈誤差曲線做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倍頻分量對累計傳動誤差貢獻(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
    瞬時傳動誤差對傳動誤差的瞬態(tài)波動較為敏感。可以用于檢測嚙合齒之間夾雜沙粒，齒面缺陷或者信號干擾等故障。而累計傳動誤差可以用于檢測由于蝸輪或圓光柵安裝偏心所導(dǎo)致的傳動誤差周期性波動。通過利用光柵參考相觸發(fā)采樣，可以將測量轉(zhuǎn)角與機床坐標(biāo)中的真實角位移相對應(yīng)，便于誤差的定位。而進(jìn)一步通過累計傳動誤差的頻譜分析方法，可以找出各特征頻率分量對傳動誤差的貢獻(xiàn)，實現(xiàn)傳動誤差的溯源。
    瞬時傳動誤差及累計傳動誤差方法分析不僅可用于高精度數(shù)控機床的在線檢測與分析，而且可以用于評定機床在服役過程中傳動精度的保持情況和關(guān)鍵傳動部件的健康狀態(tài)，為運行狀態(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。