基于时栅传感器的精密蜗轮副动态检测技术研究

论文摘要

蜗轮蜗杆传动具有传动比大、工作平稳、噪声小、结构紧凑和可根据要求实现自锁的特点,广泛应用于机械加工制造行业,特别是在精密机械和精密仪器制造工业中。通过测量蜗轮副传动误差可以综合地反映蜗轮副的精度状况。作者所在课题组于1991年研制出了“全微机化齿轮机床精度检测分析系统”（FMT系统）,FMT系统结合带片簧结构的圆磁栅传感器,可实现对传动链传动误差的检测,在多年实践中成功的应用于机床故障诊断。随着微电子技术的发展,上世纪90年代的计算机已经被新型硬件的计算机所代替,而且FMT系统所使用DOS操作系统也被可视化的操作系统所代替。在传感器领域,磁栅传感器由于种种原因已经退出了市场,目前最常用的是光栅,而高端光栅主要是通过国外进口,价格非常昂贵,某些精度等级的光栅进口受到限制,这直接成为制约我国检测仪器发展和数控制造业的发展的重要因素。时栅位移传感器是我国具有自主知识产权的原创性发明,时栅位移传感器具有测量精度高、成本低和抗干扰能力强等特点,适用于工业生产中的测量环境。本课题的研究工作一方面在原有的FMT系统的基础上,采用新的技术手段实现新型的FMT系统;另一方面,为了使过去几十年使用增量式传感器测量传动误差的经验能够继续使用,将时栅传感器输出的绝对角度值转化为增量式空间均分的脉冲信号,从而构成基于时栅传感器的新型FMT系统。这样,就可以实现对蜗轮副高精度、低成本的传动误差检测,同时也可以对机床传动链传动精度测量。主要研究内容与创新如下:1、提出将预测测量方法用于时栅位移传感器动态测量。通过对时栅位移传感器一段时间内空间测量结果的学习分析,预测在未来某一时间段内的测量值,从而实现时栅测量由绝对式到增量式的转变。2、研究了时间序列预测模型的识别、建立、检验和优化的方法,以及模型定阶、参数估计方法。提出了将时栅按时间等分的离散角度测量值构成时间序列,按照时间序列建模的方式、方法对其建立预测模型,通过预测模型生成连续空间角度信号的方案,从而实现了时栅位移传感器的测量值由时间离散到空间离散的转变。3、研究了动态测量误差修正原理与技术,提出将时栅位移传感器测量值作为离散的标准量,并利用这个标准量对预测测量的误差进行实时修正。通过对时栅传感器测量的角度值进行差分处理后会得到平稳的时间序列,建立AR模型可以对时栅测量进行高精度的预测,经实验得到动态预测误差在±2″之内。4、研究了传动误差位移同步比较原理和FMT系统采样原理,在FMT系统原有的信号微机细分原理基础上,提出了多级插补时钟的柔性时钟技术方案,配合时钟的自适应算法,使得测量系统在各种测量条件下都能够最大限度的提高传动误差测试的精度。5、研究了传统的传动误差测量仪器传感器工装的特点,提出了在上置式传感器工装中使用拨杆式结构,利用拨杆所在不同位置的测试曲线进行软件算法处理,从而消除传感器安装偏心的问题。6、利用基于时栅传感器的新型FMT系统:①研制开发了大型蜗轮副检查仪。这为大型蜗轮副综合精度检测提供了测量手段,同时也可以将检测结果反馈到生产加工环节,指导加工。②小型蜗轮副检查仪改造。采用时栅传感器对原有的齿轮综合误差检查仪进行改造,实现了对小型蜗轮副综合精度的检测。③蜗轮副加工过程在线检查仪研制。研制了既可用于加工又可用于在线检测的专用装置,避免了蜗轮在加工、检测过程中多次安装带来的误差,在加工过程中间进行传动精度检测,可以为加工参数的调整提供依据,从而保证快速和高精度的加工。④在检查仪的基础上结合卡拉希尼柯夫误差传递规律,对滚齿机传动链的传动精度进行分析,采用人为制造误差进行误差补偿的方法,根据误差环节特点采取不同的补偿方法,将一台普通滚齿机精化为高精度蜗轮母机。⑤蜗杆磨床精化提高。通过对蜗杆磨床传动链进行测试分析,采用偏心齿轮的方法提高其传动精度。以上论文研究工作,总结如第11页图1-2所示。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 蜗轮蜗杆传动概述
• 1.2 蜗轮、蜗杆检测方法
• 1.3 传动误差检测仪器介绍
• 1.4 本文背景、来源和意义
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 传动误差测试系统与机床运动精度分析
• 2.1 传动误差的定义
• 2.2 绝对角度采样和相对角度采样测量TE 的对比
• 2.2.1 绝对角度采样测量TE
• 2.2.2 相对角度采样测量TE
• 2.3 传动误差测试系统FMT 系统
• 2.3.1 信号细分方法
• 2.3.2 利用时间脉冲细分空间脉冲新方法
• 2.3.3 FMT 系统工作原理
• 2.3.4 FMT 系统实时性问题
• 2.4 机床传动链运动精度分析
• 2.4.1 传动链综合运动误差公式
• 2.4.2 机床传动精度测量
• 2.4.3 测量仪器的联轴节
• 2.4.4 FMT 系统应用实例
• 2.5 本章小结
• 第三章 测量基准时空转换方法与时栅位移传感器
• 3.1 位移的描述和两种位移测量模型
• 3.1.1 位移的两种描述
• 3.1.2 位移的空间描述测量模型
• 3.1.3 位移时间描述的测量模型
• 3.2 位移测量中的时空坐标转换思想
• 3.2.1 时空转换思想引例
• 3.2.2 时空坐标转换理论
• 3.3 空间栅传感器与时间栅传感器
• 3.4 时栅位移传感器研究
• 3.4.1 单齿式时栅
• 3.4.2 场式时栅
• 3.5 本章小结
• 第四章 FMT 系统升级和时栅绝对信号转为增量信号及其误差修正研究
• 4.1 FMT 系统的升级
• 4.1.1 FMT 系统方案设计
• 4.1.2 FMT 系统下位机设计
• 4.1.3 FMT 系统上位机软件设计
• 4.1.4 FMT 系统验证实验
• 4.1.5 消除上置式仪器安装偏心
• 4.2 预测测量的原理与方法
• 4.2.1 预测的原理
• 4.2.2 时间序列数据的预处理
• 4.2.3 模型的识别和定阶
• 4.2.4 自回归模型的参数估计方法
• 4.2.5 模型的检验和优化
• 4.2.6 时间序列模型的最佳预测及其校正
• 4.3 动态预测误差的实时修正方法
• 4.3.1 动态测量误差的分离
• 4.3.2 实时误差修正原理
• 4.3.3 离散标准量插入法分离误差
• 4.3.4 基于标准点插入的动态测量误差修正法
• 4.3.5 时栅动态预测误差实时修正技术
• 4.3.6 AR 模型自适应算法
• 4.4 预测实验及实验结果分析
• 4.4.1 离线预测
• 4.4.2 动态预测测量实验
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于时栅传感器的精密蜗轮副动态检测技术应用实践
• 5.1 大型蜗轮副检查仪研发
• 5.1.1 检查仪结构
• 5.1.2 仪器电气误差分析
• 5.1.3 仪器机械工装误差分析
• 5.1.4 仪器精度检定
• 5.1.5 仪器现场测试
• 5.2 小型蜗轮副检查仪改造
• 5.2.1 仪器现方案
• 5.2.2 时栅工装及相应电路设计
• 5.2.3 改造后的检查仪测试
• 5.3 蜗轮副加工过程在线检查仪研发
• 5.3.1 在线检查仪研发背景
• 5.3.2 在线检测装置设计
• 5.3.3 实际使用效果
• 5.4 高精度蜗轮母机的获取
• 5.4.1 提高机床传动精度的途径
• 5.4.2 现场测试及主要误差环节误差分析
• 5.4.3 对锥齿轮环节的修正
• 5.4.4 对蜗杆环节的修正
• 5.4.5 对蜗轮环节的修正
• 5.5 蜗杆磨床检测与精化
• 5.5.1 蜗杆磨床传动链分析
• 5.5.2 蜗杆磨床现场测量
• 5.5.3 误差修正
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文情况
• 参加的科研项目及获得的科研成果
• 附录1 机械工程学报审稿意见