CN210427004U - 一种机械传动链综合误差的动态检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机械传动链综合误差的动态检测装置，包括电机模块、导轨滑台模块、数据采集与分析模块以及被测传动链模块；被测传动链模块包括丝杆螺母副和齿轮减速箱；丝杆螺母副包含丝杆和丝杆螺母；电机模块包括伺服电机和控制与驱动单元，伺服电机在输出轴配置有圆编码器；导轨滑台模块包括导轨、移动工作台和直线光栅尺。本实用新型能够对传动链误差进行综合、便利、精密的检测。

Description

一种机械传动链综合误差的动态检测装置

技术领域

本实用新型涉及机械传动系统精度检测与监测领域，尤其涉及一种机械传动链综合误差的动态检测装置。

背景技术

伺服运动控制系统被广泛地用于各类机电设备中，如光刻机、医用机器人、数控机床、全电动注塑机等，是实现工业自动化、精密化与智能化的关键基础部件。为获得期望的运动轨迹及力学特性，机械传动链是伺服系统不可或缺的零部件。而传动链的传动误差会影响伺服系统的运动控制精度及稳定性。在半闭环伺服系统中，传动误差对系统定位精度具有决定性影响；此外，传动误差也是伺服系统振动的主要激励源。可见，为确保精密机电设备的性能，需对传动链的传动误差进行在线、实时监测，并进一步研究传动链传动误差的传递机理，最终实现设备性能的闭环控制。为了达到这一目的，不仅需要更加综合、有效的机械传动链传动误差评价参数，而且需要建立精密、便利的传动链误差测量装置。

国际标准ISO 3408-3(ISO 3408-3:2006.Ball Screws–Part 3:AcceptanceConditions and Acceptance Tests)给出了滚珠丝杠精度的评价指标——导程误差，并介绍了一种基于激光干涉仪系统的测量方法。激光干涉仪精度较高，但是价格昂贵，而且为了获得理想的测量结果，测量前需要进行精密的校准，使得耗时较长，不利于大批量检测与实时在线监测。

在重载伺服系统中，传动链不仅包含滚珠丝杆以将旋转运动转换为直线进给，还会串联齿轮减速箱或其他传动机构以获得足够的驱动力矩。但由于减速箱等传动机构的存在，重载传动链往往含有较大的反向间隙。此外，精密伺服轴常被用于同时实现正、反向伺服进给，且在两个方向上都要求很高的运动控制精度。可见，较之于单独的滚珠丝杠，重载、精密传动链误差的表征及其传递机理更加复杂。由于国际标准ISO 3408-3不利于在线监测传动链传动误差，且其提出的指标参数不能综合地评价传动链的传动性能，因此，ISO3408-3并不能直接用于指导传动链的检测与监测。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种机械传动链综合误差的动态检测装置。本实用新型通过利用圆编码器和直线光栅尺实现电机和工作台位置的实时同步测量，对传动链误差进行综合、便利、精密的检测。

本实用新型的目的能够通过以下技术方案实现：

一种机械传动链综合误差的动态检测装置，包括电机模块、导轨滑台模块、数据采集与分析模块以及被测传动链模块；

所述被测传动链模块包括丝杆螺母副和齿轮减速箱；所述丝杆螺母副包含丝杆和丝杆螺母，用于将丝杆的旋转运动转换为螺母的直线运动，并驱动移动工作台移动；所述齿轮减速箱一端连接伺服电机，另一端连接丝杆，用于将电机旋转运动传递到丝杆；

所述电机模块包括伺服电机和控制与驱动单元，伺服电机采用闭环伺服控制模式，且在输出轴配置有圆编码器；伺服电机通过传动链驱动移动工作台运动，圆编码器用于测量电机输出轴转角；

所述导轨滑台模块包括导轨、移动工作台和直线光栅尺，直线光栅尺用于测量移动工作台的实际位置；所述导轨安装在基座上，所述移动工作台可沿导轨滑动；

所述数据采集与分析模块用于接收直线光栅尺信号以及圆编码器信号，并根据接收的信号计算机械传动链的综合误差。

优选地，所述电机包括但不限于西门子同步伺服电机1FK7；所述控制与驱动单元包括但不限于西门子控制与驱动单元SIMODRIVE 611。

优选地，所述圆编码器包括但不限于海德汉绝对式旋转编码器ECN 1023。

优选地，所述直线光栅尺包括但不限于海德汉增量式直线光栅尺LF 485。

具体地，机械传动链综合误差检测装置对传动链进行测量前，需要控制车间温度为25℃，运行伺服轴系统在有效性行程内往复进给30分钟，使机械传动链达到热稳定状态。

具体地，测量时控制伺服轴在有效性行程内往复进给一次，利用圆编码器、直线光栅尺及数据采集系统测量并记录电机转角θ与工作台的实际位置x_a。

具体地，测量得到电机转角后，将电机转角θ转换为工作台的名义位置x_n，电机转角θ与工作台名义位置x_n的转换关系为：x_n＝kθ，k表示传动链的传动比。

为了更直观地展现测量结果，绘制名义位置x_n和实际位置x_a的关系曲线。

具体地，所述数据采集与分析模块中，根据工作台实际位置与名义位置计算机械传动链的综合误差，依次包含：

(1)计算机械传动链的反向间隙，其计算公式为：

b＝x_a--x_a+ (1)

其中，x_a+、x_a-分别为工作台正、反向进给时的实际位置；反向间隙宽度由其算术平均值进行表示，即

(2)计算正向进给时传动链的导程误差，其计算公式为：

e₊＝x_a+-x_n (2)

反向进给时，传动链的导程误差计算公式为：

e_-＝x_a--x_n (3)

(3)根据传动链的导程误差，计算导程误差的评价参数；

正向进给时，导程误差四个评价参数的计算方法分别为：

(a)平均导程偏差幅值e_p+：平均导程偏差幅值e_p+是指在有效行程内平均导程偏差曲线e_m+与名义导程的累计偏差值，其中，平均导程偏差曲线e_m+是指导程误差e₊的最小二乘拟合直线；

(b)导程波动v_u+：导程波动v_u+是指导程误差减去平均导程偏差后的残余波动信号e_v＝e₊-e_m+在有效行程内的幅值，导程波动v_u+由下式计算得到：

v_u+＝[max(e_v)-min(e_v)]_{|useful travel} (4)

(c)导程波动v₃₀₀₊：导程波动v₃₀₀₊是指残余波动信号e_v在任意300mm行程内的最大幅值，由下式计算得到：

v₃₀₀₊＝max{[max(e_v)-min(e_v)]_|300mm}_{useful travel} (5)

(d)导程波动v_2π+：导程波动v_2π+是指在残余波动信号e_v在任意螺距导程内的最大幅值，由下式计算得到：

v_2π+＝max{[max(e_v)-min(e_v)]_{|2π travel}}_{useful travel} (6)

反向进给时，导程误差四个评价参数的计算方法与正向进给时评价参数计算方法一致，区别在于平均导程偏差曲线e_m-是反向导程误差e_{_}的最小二乘拟合直线，残余波动信号计算公式为e_v＝e_{_}-e_m-。

本实用新型相较于现有技术，具有以下的有益效果：

1、本实用新型利用安装在电机的圆编码器和安装在导轨滑台的直线光栅尺同步测得电机转角和工作台实际位置，计算得到传动链的综合误差。相较于基于激光干涉仪的测量系统，本实用新型所提供的测量装置校准容易，操作简单，且价格经济。倘若选用高精度的编码器与光栅尺，本实用新型可获得极高的测量精度。并且通过利用伺服轴的内置编码器和光栅尺，可以实现全闭环伺服轴传动链的在线、实时监测。

附图说明

图1是本实用新型中机械传动系统综合误差测量实验平台。

图2是往复进给时名义位置x_n和实际位置x_a曲线。

图3是本实施例测得的正向进给时的导程误差及评价参数。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示为一种机械传动链综合误差的动态检测装置的结构图，包括电机模块、导轨滑台模块、数据采集与分析模块以及被测传动链模块；

所述被测传动链模块包括丝杆螺母副和齿轮减速箱；所述丝杆螺母副包含丝杆和丝杆螺母，用于将丝杆的旋转运动转换为螺母的直线运动，并驱动移动工作台移动；所述齿轮减速箱一端连接伺服电机，另一端连接丝杆，用于将电机旋转运动传递到丝杆；

所述电机模块包括伺服电机和控制与驱动单元，伺服电机采用闭环伺服控制模式，且在输出轴配置有圆编码器；伺服电机通过传动链驱动移动工作台运动，圆编码器用于测量电机输出轴转角；所述电机采用西门子同步伺服电机1FK7；所述控制与驱动单元采用西门子控制与驱动单元SIMODRIVE 611；所述圆编码器采用海德汉绝对式旋转编码器ECN1023；

所述导轨滑台模块包括导轨、移动工作台和直线光栅尺，直线光栅尺用于测量移动工作台的实际位置；所述导轨安装在基座上，所述移动工作台可沿导轨滑动；所述直线光栅尺采用海德汉增量式直线光栅尺LF 485；

所述数据采集与分析模块用于接收直线光栅尺信号以及圆编码器信号，并根据接收的信号计算机械传动链的误差。

具体地，机械传动链综合误差检测装置对传动链进行测量前，需要控制车间温度为25℃，运行伺服轴系统在有效性行程内往复进给30分钟，使机械传动链达到热稳定状态，测量时控制伺服轴在有效性行程内往复进给一次，利用圆编码器、直线光栅尺以及数据采集系统测量电机转角θ与工作台的实际位置x_a。

具体地，测量得到电机转角后，将电机转角θ转换为工作台的名义位置x_n，电机转角θ与工作台名义位置x_n的转换关系为：x_n＝kθ，k表示传动链的传动比。

为了更直观地展现测量结果，绘制名义位置x_n和实际位移x_a的关系曲线，曲线如图2所示。本实施例中测得的正向进给时的导程误差及四个评价参数如图3所示。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种机械传动链综合误差的动态检测装置，其特征在于，包括电机模块、导轨滑台模块、数据采集与分析模块以及被测传动链模块；

所述被测传动链模块包括丝杆螺母副和齿轮减速箱；所述丝杆螺母副包含丝杆和丝杆螺母，用于将丝杆的旋转运动转换为螺母的直线运动，并驱动移动工作台移动；所述齿轮减速箱一端连接伺服电机，另一端连接丝杆，用于将电机旋转运动传递到丝杆；

所述电机模块包括伺服电机和控制与驱动单元，伺服电机采用闭环伺服控制模式，且在输出轴配置有圆编码器；伺服电机通过传动链驱动移动工作台运动，圆编码器用于测量电机输出轴转角；

所述导轨滑台模块包括导轨、移动工作台和直线光栅尺，直线光栅尺用于测量移动工作台的实际位置；所述导轨安装在基座上，所述移动工作台可沿导轨滑动；

所述数据采集与分析模块用于接收直线光栅尺信号以及圆编码器信号，并根据接收的信号计算机械传动链的综合误差。

2.根据权利要求1所述的一种机械传动链综合误差的动态检测装置，其特征在于，所述电机包括但不限于西门子同步伺服电机1FK7；所述控制与驱动单元包括但不限于西门子控制与驱动单元SIMODRIVE 611。

3.根据权利要求1所述的一种机械传动链综合误差的动态检测装置，其特征在于，所述圆编码器包括但不限于海德汉绝对式旋转编码器ECN 1023。

4.根据权利要求1所述的一种机械传动链综合误差的动态检测装置，其特征在于，所述直线光栅尺包括但不限于海德汉增量式直线光栅尺LF 485。

5.根据权利要求1所述的一种机械传动链综合误差的动态检测装置，其特征在于，机械传动链综合误差检测装置对传动链进行测量前，需要控制车间温度为25℃，运行伺服轴系统在有效性行程内往复进给30分钟，使机械传动链达到热稳定状态，测量时控制伺服轴在有效性行程内往复进给一次，利用圆编码器、直线光栅尺以及数据采集系统测量电机转角与工作台的实际位置。

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