（机械电子工程专业论文）精密机械传动链动态传动精度检测分析系统的研制.pdf

南京理工大学硕士学位论文 糟密机械传动链动态传动精度检测分析系统的研制 摘要 随着精密机械传动链的广泛应用，对其传动精度的检测也变得越来越重要。本论 文中设计了一种用于检测分析精密机械传动链动态传动精度的仪器系统。与传统的机 械传动链静态传动精度检测仪器不同的是该仪器系统是基于虚拟仪器设计思想的动 态传动精度检测分析系统。 精密机械传动链动态传动精度检测分析系统应用莫尔条纹光栅法作为检测方法； 选用虚拟仪器的仪器类型及合理的组织方式；p x i 总线连接方式；双通道同步采样信 息输入方式和基于计数器的动态传动精度测量方案；并应用小波分解与重构技术对动 态传动精度检测得到的离散数据进行信号进行降噪，以及应用小波包时频分析技术对 动态传动误差测量信号进行特征识别。 精密机械传动链动态传动精度检测分析系统的数据处理部分以小波分析理论为 基础，采用m a l l a t 算法对动态传动精度检测得到的离散信号进行小波分解和重构， 达到了理想的降噪效果；以香农熵为代价函数，寻找分析信号的最优基，在最优基下 对离散的动态传动精度测量数值进行时频分析，达到了提取信号细节特征的目的。最 后，以谐波齿轮减速器为检测对象，应用该仪器系统进行动态传动精度检测实验。 关键词：机械传动链传动精度谐波齿轮传动小波分析 南京理工大学硕士学位论文 糟啬机槭传动链动态传动精度检嗣分析系统的研嗣 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ew i d eu o f t h em e c h a n i c a lr i 西dd r i v i n gc h a i n s , t h et e s tf o rt h e i rd r i v e p r e c i s i o nb e c o m em o r ea n dm o 托i m p o r t a n t ，i nt h i s 华l p c r & d y n a m i cd r i v ep r e c i s i o n t e s t i n g & a n a l y s es y s t e mi sd e s i g n e df o rm e c h a n i c a lr i g i dd r i v i n gc h a i n s d i f f e r e n tf r o mt h e t r a d i t i o n a ls t 蕊cd r i v ep r e c i s i o nt e s t i n gi n s t r u m e n t s , i ti sd e s i g n e db a s e do i lt h ev i r t u a l i n s u u m 胁ti d e aa n di sa d y n a m i cp r e c i s i o nt e s t i n g & a n a l y s es y s t e m t h i s d y n a m i cp r e c i s i o nt e s t i n g & a n a l y s es y e t e mi sd e s i g n e db a s e d o nv i r t u a l i n s t r u m e n tt y p e ；i t sh a r dw a l e sa r ec o n n e c t e dw i t hp x ib u s ；m o i r 6 f i i n g eg r a t i n gi su s e d t ot e s tt h ed r i v ep r e c i s i o n ；t h eg r a t i n ge n c o d e r sa c q u i r ed a t a so ft h ed i s p l a c e m e n t sf r o m t w o - c h a n n e l ss y n c h r o n o u s l ya n dt h e ns e n tt h ed a t a st ot h ec o u n t o rt om e s s u r et h ed y n a m i c d r i v ee r r o r ，t h e nt h ed a m sc o m p o s e db yt h ed y n a m i cd r i v ee r r o r si sp r o c e s s e db yt h e p r o c e s s o rw i t hw a v e l e t ea n a l y s i st e c h n i q u et or e d u c et h en i o s ea n dt oi d e n 碰f yt h e p e c u l 埘- i t yo f t h ed a m s 田 p a r to ft h ed a t ap r o c e s s i n go ft h i sd y n a m i cd r i v ep r e c i s i o nt e s t i n g & a n a l y s e s y s t e mf o rr i g i dm e c h a n i c a ld r i v i n gc h a l l i n s i sb a s e do nt h et h e o r yo fw a v e l e t e a n a l y s i s i no r d e rt or 耐u c ct h en o i s eo ft h ed a m sw ea d o p tm a l l a tm e f h o dt oa n a l y s et h e d a m sa n dr e 伽咀s t m c 嘲t h e m ，a n da c h i e v e da 【p 朗锄te f f e c t ；s e a r c hf o rt h eb e s t t r e eu n d e r t h ec o n d i t i o no fc o s tf u n c t i o nt h a ti ss h a n n o ne n t r o p ya n da n a l y s et h et i m e - f r e q u e n c e p e c u l i a r i t yo f t h ed a m su n d e rt h eb c s t t r c e s oa st of i n dd e t a i l so f d a t a s t h a ti sc o m p o s e db y t h et e s t i n gr e s u l t s f i n a l l yae x p e r i m e n tt ot e s tt h ed y n a m i cd r i v ep r e c i s i o nf o rah a r m o n i c g e a rd r i v i n gc h a i d w a sd o n ew i t ht h i sd y n a m i cp r e c i s i o nt e s t i n g & a n a l y s es y e t e mt o c o i l f i l r l nt h ev a l i d i t yo f t h i si n s t r m n o n ts y s t e md e v e l o p e di nt h i sp a p e t o k e y w o r d s ：m e c h a n i c a la r i v i n gc h a i n 、d r i v i n gp r e c i s i o n 、 h a r m o n i c g e a rd r i v e 、w a v e l e t ea n a l y s i s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：琵鲣7 年7 为7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 氐7 年7 月7 日 南京理工大学碗士学位论文 精密传动链动态传动精度检测分析系统的研制 l 绪论 1 1 选题的意义和应用前景 随着精密机械传动链越来越多的应用于航空航天、机器人、精密仪器和伺服控制 系统等领域，对机械传动链的精度检测也越来越重要。传统的静态传动精度检测已远 远不能满足现代精密传动的要求，因为静态传动精度测量只能检测到传动过程中间断 的有限点上的传动误差，不能实时反映传动链的传动误差，而动态精度测量法是在接 近于工作状态的运转环境下测量传动装置的输入轴和输出轴的转角位移，然后与理论 值加以比较得到传动误差【3 】。动态测量的过程是连续的，或者说是在接近于工作状态 的运转条件下测得的，因此它能将实际工作情况下豹传动误差及其变化情况较全面的 揭示出来。 精密机械传动链动态传动精度检测分析系统作为一种通用的动态传动精度检测 仪器是精度检测实验中不可或缺的实验设备，它不仅可以应用于实验室来代替传统的 机械传动链静态传动精度检测系统，还可以作为机械传动链生产厂家的产品检测平 台，用来检测新产品的动态传动精度参数，并给设计生产人员提供科学的实验数据， 从而推动精密机械传动链的发展。可见，精密机械传动链动态传动精度检测分析系统 有着重要的实用价值和广阔的发展前景。 1 2 该学科的发展现状和前景 1 2 1 机械传动链传动精度检嗣的分类 机械传动链某一角位移下的传动精度最由其输入角位移口、输出角位移和传动 比五确定，定义为 6 l = 九参一a 机械传动链整体的传动精度定义为 艿= 4 。一4 峨 其中，6 砥和屯分别为概 的最大值和最小值。 机械传动链的传动精度检测分为静态检测法和动态检测法两种m 。静态检测法是 指传动装置的输入轴和输出轴的转角在静止状态下的测量方法。它的测量过程是间断 的。采用的方法有光学刻盘法、经纬仪法、对面体法、数字测角仪法、分度头法以及 自整角机和旋转变压器法等 静态检测法测得的是传动过程中各问断点的传动误差，没有记入机器运转时工作 l 南京理工大学硕士学位论文 精密传动链动态传动精度检测分析系统的研嗣 载荷的变化和惯性载荷对传动精度的影响，而动态检测法则是在接近于工作状态的运 转情况下测量传动装置输入轴和输出轴的转角，然后与理论值加以比较而得传动误 差。动态检测的过程是连续的，考虑了工作载荷的变化及惯性载荷对传动精度的影响。 因此，它反映了机器在实际的运转过程中实际传动误差或传动精度。目前，常用的动 态测量法有磁分度法、地震仪法和光栅法等。这些方法的工作原理是相似的，只是工 作性能不尽一致。因此，在使用这些仪器时应考虑到仪器的测量精度与分辨率；允许 测薰的转速范围；可测误差的传动比范围；可测误差的频率范围以及记录仪的频率响 应等特性。 1 2 2 机械传动链动态检测装置的发展 机械传动系统的动态精度检测始于2 0 世纪5 0 年代末期，世界著名的捷克斯洛伐 克专家k s t e p m l k s 率先研制成功一种用于齿轮加工机床传动链动态精度检测的磁栅 式检测装置p | 。2 0 世纪6 0 年代初期，英国n e l 的c t i m m c 利用莫尔条纹效应研制成 功计量光栅同样实现了滚齿枫传动链精度的动态检测。这两类检测装置除计量传感器 各异外，系统的工作原理基本相同。同时，美国以其研制成功的感应同步器配置相应 的检测系统，也成功地实现了齿轮机床传动误差的测量。联邦德国从a h e n 工业大学 的h o p i t z 提出了一种不同于上述两种装置原理的旋转惯性式传动链精度检测法 9 1 。 以这一方法研制的检测装置以其系统稳定可靠、分辨率高、安全方便等优点，在世界 上获得了较高的声誉【，j 。 上述几类检测装置由于受系统频响的限制，只适用于中等规格机床传动精度的检 测，而对于大型、超大型、极低速、大传动比的齿轮传动系统的动态精度检测却无能 为力。2 0 世纪7 0 年代初期k s t e p 蠲l 【s 又发明了一种差频辅助挂轮式检测系统，在世 界上首先解决了极低速、大传动比的传动精度检测问题。但是由于辅助挂轮引入检测 装置产生了一系列缺陷，致使这项具有突破性的检测方法在以后的应用中逐渐沉寂了 下来。针对系统的缺陷，一些学者提出了一种全齿栅双行放电轴变换式新方法，并根 据此新原理研制成功一种全新的检测装置q l 系统。它不仅结构简单，而且几乎完全 克服了k 咖p 趾k s 系统的缺陷，真正解决了超低速、大传动比的大型传动系统的精度 检测难题删。 随着信息技术的飞速发展，其技术成果已广泛的应用于各个行业，其影响之深远 前所未有。高性能处理器和高精度传感器的普及使动态检测装置获得了空前的发展空 间，现代机械传动链动态传动精度检测系统也由传统的检测仪器向智能化、阿络化、 虚拟化方向发展i i 埘。 2 南京理工大学硕士学位论文 糟密传动链动寿传动精度检舅分析系统的研髑 1 2 3 机饭传动链动态精度检测的发展趋势 随着计算机技术的蓬勃发展，大规模高速度的处理器不断涌现，信息技术已经渗 透到各行各业。与计算机技术相结合是本世纪各领域发展的最重要的特征，检测技术 也呈现出现了信息化、网络化、虚拟化的发展趋势。借助于高性能的徽处理器技术， 新的数据采集和数据处理方法层出不穷，一大批优秀的专业软件为我们的机械传动链 动态精度检测提供了巨大的便利条件，如：m a t l a b 、l a b v i e w 等为了使各仪器 生产厂家的产品具有普遍的通用性，业内规范了各种总线标准如：p c i 总线、g p i b 总线、p x i 总线、v x i 总线和串口总线i 冲l 。 由此可见，信息化给传统的机械传动链动态传动精度检测技术带来的新的话力和 巨大的发展空问，机械传动链动态传动精度检测系统硬件变得简洁，软件变得复杂， 功能也愈来愈强大总之，信息化、网络化、虚拟化是现代检测系统的发展趋势。 1 2 4 机械传动链动态传动糟度检舅分析技术理论 机械传动链动态传动精度的检测过程基本上可分为三个步骤：第一是反映机械传 动链运动物理量( 输入输出轴的角位移) 的信息获取：第二是提取所获信息中的有用 信号；第三是对有用信号的状态识别和状态分析。机械传动链动态传动精度检测的关 键是从动态信号中提取信号特征，信号处理是特征提取最常用的方法。其关键问题之 一是如何对检测中得到的机械动态信号的非平稳性进行有效的分析。所谓非平稳性， 是指信号的统讦特性，包括时域统计特性( 如均值、方差、偏斜度、蛸度等) 和颏域 统计特性( 如频谱、功率谱、互谱、相干分析等) 。非平稳信号产生的根源有环境噪声、 机械冲击、传动机构的传动误差、工作载荷变化等l ，j 正因为在机械传动链动态精度检测信号中，非平稳动态信号的统计特性与时间有 关，所以对非平稳信号的处理必须同时进行时、频分析在机械传动链传动误差的信 号分析中，目敖通常采用基于平稳过程约经典信号处理方法，分别仅从肘域或频域给 出信号的统计平均结果，无法同时兼顾信号在时域和频域的全貌和局部化特征，而这 些局部化特征通常是传动误差的表征降j 对机械传动链动态传动精度检测信号的分析方法主要有传统的快速傅立叶变换 ( f f t ) 、短时傅立叶变换和小波分析理论。 ( 1 ) 传统的快速傅立时变换( f f t ) 方法是长期使用的有效工具。它是用平稳的 正弦波作为基函数去分解代表机械传动链动态传动误差的离散信号撕) 。得到其频谱 x 【厂) 。这一变换建立了一个从时域到频域的通道。谱x 驴) 显示了包含在撕) 中的任 3 南京理工大学硕士学位论文 精密传动链动寿传动精度检舅分析系统的研制 一频率，的总强度。但这种分解无法同时兼顾信号在时域和频域的全貌和局部化特 征，即快速傅立叶变换中，时域和频域是分离的。 ( 2 ) 短时傅立叶变换是o a b o r 在傅立叶变换的基础上发展起来的一种时频分析 方法，它是用一个时间宽度很短的、可以在时间坐标上滑动的窗函数与信号相乘再来 进行傅立叶变换。短时傅立叶变换中，时域和频域仍然是分离的 ( 3 ) 小波变换以不同的尺度( 分辨率) 来观察信号，将机械传动链动态精度检 测得到得离散信号分解到不同的频带中，既看到了信号的全貌，又看到了信号的细节， 具有多分辨能力 6 1 。小波包分析对小波变换中没有分解的高频段信号进行再分解，在 不同的层次上对各种频率作不同的分辨率选择，更具有灵活性。以g a l l a t 算法为基 础，小波包信号分解与重构也具有快速算法，工程实用性很强【1 2 1 。小波变换和小波包 分析也可以用于机械传动链动态传动精度数值的检测分析 1 3 本论文的研究对象和意义 本论文针对精密机械传动链设计一种对其进行动态传动精度检测分析的仪器系 统，如图1 3 1 所示。该检测分析系统的设计基于虚拟仪器的思想，采用光栅检测方 法，利用小波分析技术处理离散的检测数据。精密机械传动链动态传动精度检测分析 系统主要包括信号采集、数据传输、误差测量、数据分析、数据显示和数据保存模块。 该检测分析系统以n i 公司的c o m p a c t r i or e a l - t i m ec o n t r o l e rc r i o - 9 0 0 4 控制器、 c r i o 9 2 1 5 采集卡为核心硬件。以l a b v i e w 7 1 为主要软件开发平台，并结合 m a t l a b 7 i 对检测信号进行数据处理。 图1 3 i 精密传动链动态传动误差检测分折系统示意图 精密传动链动态精度检测分析系统作为一种通用的动态传动精度检测仪器是精 度检测实验中不可或缺的实验设备，它不仅可以应用于实验室来代替传统的机械传动 4 南京理工大学硕士学位论文糖密传动链动态传动精度检测分析系统的研制 链静态传动精度检测系统，还可以作为机械传动链生产厂家的产品检测平台，用来检 测新产品的动态传动精度参数，并给设计生产人员提供科学的实验数据，从而推动精 密机械传动链的发展。与传统的静态传动精度检测系统相比，精密机械传动链动态传 动精度检测分析系统可以更全面的揭示机械传动链的传动误差情况：大大减少检测实 验花费的时间；减轻工作人员的劳动强度：减少仪器使用、维护和成本；该仪器系统 的组网和远程控制，提高检测的自动化水平 1 4 本论文主要解决的问题 ( 1 ) 糟密机械传动链动态传动精度测量方法的选择。 ( 2 ) 精密机械传动链动态传动精度检测分析系统组织方式的选择，包括仪器类 型、架构类型、支持总线类型等。 ( 3 ) 测量误差数据分析方法的选择及其实现。 ( 4 ) 精密机械传动链动态检测分析系统的总体结构设计和硬件选型。 ( 5 ) 精密机械传动链动态传动精度检测分析系统的软件设计 南京理工大学硕士学位论文 精密传动链动态传动精度检舅分析系统的研镧 2 精密机械传动链动态传动糟度检测分析系统的总体设计 检测分析系统的组织方式决定了仪器的技术水平，应用最现代的最合理的组织方 式可以大大提高仪器的总体性能。这一章节主要通过对目前机械传动链动态传动精度 检测技术领域的分析研究，并结合该课题的任务对机械传动链动态传动精度检测方 法、检测系统仪器类型、虚拟仪器架构类型和应用总线的类型进行了选择。 2 1 精密机械传动链动态精度检澍方法的选择 机械传动链某一角位移下的传动精度磊由其输入角位移g 、输出角位移多和传动 比五确定，定义为 磊= a 声一口 ( 2 一1 ) 机械传动链整体的传动精度定义为 拶= 磊一一磊面( 2 - 2 ) 其中，氏。和分别为嘏 的最大值和最小值( 下同) 机械传动链动态传动精度检测的方法主要有磁分度法、地震仪法和光栅法。这些 方法的工作原理是相似的，只是工作性能不尽一致。因此，在使用这些仪器时应考虑 到仪器的测量精度与分辨率、允许测量的转速范围、可测误差的传动比范围、可测误 差的频率范围以及记录仪的频率响应等特性。 该检测分析系统中，选择光栅法，理由如下： ( i ) 磁分度法机械传动链动态传动精度检测是利用磁场感应原理的一种测量方 图2 1 1 磁分度法机械传动链动态传动精度测量原理图 两磁盘的磁波数为n ，分别安装在机械传动链的输入轴和输出轴上，并设置两个 磁头来拾取磁盘的信号当传动链工作时，输入轴以转速n 。旋转：输出轴以转速n 。 6 膏京理工大学硕士学位论文篇密传动链动寿传动精度检舅分析系统的研制 旋转。此时，由磁头h ，发出的信号频率为n t n ；由磁头h 2 发出的信号频率为n 水两 路信号的频率是不同的，为了使两路信号在进行比相前得到相同的频率，需要将两路 信号进行放大、整形，并分别送到分频系数为b 。和b t 的分频器中，使两分频系数之 比等于机械传动链的传动比，即：屯，屯= 互( 五为传动链的传动比，矗l 和岛为不可约 分的整数) 。由于啊嘞= 2 ，所以分频后，两路信号的频率相同，即： ，= 竿= 等( ，为分频后的信号频率) 将两路分频后的信号送入相位计中比相，将得到的籀位差觏 f i l 。经过滤波，即可由 记录仪画出传动误差曲线，然后再对其进行标定，既可以得到机械传动链某一角位移 ( 输出轴从位置i 运转到位置_ ，) 下的传动误差，即# 岛= 丁3 6 0 0 x b 2 等 瓯表示以输出轴为准限( 下同) ，从位置f 运转到位置，时传动链的传动误差； a 易= q 只，表示从位置f 运转到位置，时相位差的变化量，在理想的传动条件 下以= 0 ，表示没有传动误差； 6 ，为输出轴角位移信号的分频系数。 整个机械传动链的动态传动误差为： 艿= 岛一一磊血 习惯上，我们总是以传动链输出轴角位移的检测起位置点( 设为i 点) 为基准点， 其它位置点( 点) 相位差p ，与基准点相位差q 比较得到相位差的变化量- 即将q 固 定，则岛变为易，磊变为岛。其整个机械传动链的传动误差变为式( 2 2 ) ： 5 = 6 扣一6 i 血 由于分频后的信号频率变低。掩饰了分频前信号的一些细节特征，自然就降低了 测量精度。所以磁分度法的测量精度有限，这种测量方法不适合测量高速、高精度的 传动链。 ( 2 ) 地震仪法机械传动链动态传动精度检测是种高精度的动态传动误差测量 方法它是利用物体的惯性原理，产生理想的匀速旋转运动，与被测的不均匀旋转运 南京理工大学硕士学位论文 糟密传动链动态传动精度检嗣分析系统的研制 动相比而得角位移偏差的一种测量方法。根据这种方法制成的动态传动误差测量仪器 与地震仪相似，所以称之为地震仪法地震仪法检测机械传动链动态传动精度原理如 图2 1 2 所示 图2 1 2 地震仪法机械传动链动态传动精度检测原理图 地震仪法机械传动链动态传动精度检测法是将两个具有相同固有频率和阻尼系 数的地震仪头分别安装在机械传动链的输入轴和输出轴上，并以角位移偏差作为输出 信号来测量两轴回转运动之间的相对不均匀性，从而得到机械传动链的传动误差。 设：璐一输入轴理论角速度； 魏一输出轴理论角速度； a 戗一输入轴角速度偏差； 一输出轴角速度偏差； a 张一输入轴角位移偏差( 对应q ) ； a 仍一输出轴角位移偏差( 对应a m 2 ) ； i 一传动链的传动比； 则输入轴的实际角速度为q + a q ，对应的角位移偏差为仍地震仪头1 通过 其电感传感器将角位移偏差a 竹以电信号输出。输出轴的实际角速度为吨+ 厶嘎，对 应的角位移偏差为仍。输出轴角位移偏差a 仍包括两部分：一部分是由输入轴角速 度偏差a 峨引起的；另一部分是有机械传动链的传动误差引起的。所以有： 窖 南京理工大学硕士学位论文 精密传动链动态传动精度检测分析系统的研钓 地= 争+ a 鸭 对应的角位移偏差为： 厶讫= 华+ 觇 式中a 眈一由机械传动链传动误差引起的输出轴角速度偏差； a 纯一由机械传动链传动误差引起的输出轴角位移偏差； 地震仪头2 通过其电感传感器将输出轴角位移偏差a 仍以电信号输出。 将两路信号( 仍和仍的电信号) 分别送至载频放大器的交流电桥，借助振动 器用高频( 5 0 0 0 h z 以上) 的载频电压供电调幅，则该高频的载频电压被低频的角位 移偏差信号调制成载频调幅电压。其中低频调幅电压的幅值与角位移输出的偏差信号 成正比。然后，借助电位器调节输入轴的角位移偏差信号a 张信号的幅值。使其衰减 f 倍后与输出轴角位移偏差信号一起进入加法器中相减，消除绝对回转不均匀性误差。 这样就得到了两轴相对回转不均匀性误差，即 仍；仍一华 最后，将a 钆的传动误差信号经载频放大，由相敏器整流去掉其载频，即得出低 频的机械传动链传动误差信号，将此信号经直流放大器放大后即可由记录仪画出其传 动误差曲线，在通过标定得到机械传动链的动态传动误差。 地震仪法有其独特的优点，即灵敏度高，最小测量误差可达0 3 ；测量精度高， 可达0 1 5 。；允许的测量转速高，可达4 0 0 r m i m 测量的频域宽，可由1 h z 到4 0 0 h z 。 采用这种方法，设备简单，测量方便；无需高精度的测量元件；能测量任意数值的传 动比，其中包括非整数的传动比。但这种方法受仪器固有频率的限制，对1 h z 以下的 低频运动误差是不可测量的。 ( 3 ) 光栅法机械传动链动态传动精度检测是利用光栅度盘产生莫尔条纹，通过 光电转换将旋转的角位移转变成电信号来测定传动误差的一种动态测量方法。它是通 过连接在输入输出轴上的两个光栅编码器产生脉冲信号，再经过传动比脉冲分频器得 到相同频率的脉冲信号，再经过比较两路信号的相位差来测量传动误差。光栅法机械 传动链动态传动精度检测的原理如图2 1 3 所示。这种检测方法是将高速光栅编码器 和低速光栅编码器分别用精密连轴器连接到被测机械传动链的输入轴和输出轴上。机 械传动链由电动机驱动旋转，两光栅传感器产生不同频率的脉冲信号( 或正弦信号， 由光栅编码器的工作模式确定) ，设分别为脉冲信号a 和脉冲信号b ，再通过脉冲分 南京理工大学硕士学位论文藉密传动链动态传动精度检嗣分析系统的研制 频器得到相同频率的脉冲信号。将两路同频率的脉冲信号送入门电路，当机械传动链 圈2 1 3 光提法机械传动链动态传动精度检测原理图 没有传动误差时，两路信号的差值是一固定的相位角a 0 ；当有传动误差时，相位角 a 口会发生变化。该变化量a 0 就是反映传动误差的信号，由信号b 经过细分频的计 数脉冲来测量。其测量原理如图2 1 4 所示。 a ) 传动链无传动误差 b ) 传动链有传动误差 图2 i a 光椐法脉冲计数传动误差潮量原理 1 0 南京理工大学硕士学位论文 精密传动链动态传动精度检测分析系统的研制 光栅法机械传动链动态传动精度检测中门电路的工作原理是：当脉冲信号a 通过 门电路时将门电路打开；当脉冲信号b 通过门电路时将门电路关闭；脉冲信号a 下一 个周期信号来临时再将门电路打开，如此不断的循环。在门电路被打开到被关闭之间， 计数器计算通过的高频标准脉冲个数坼( 川为整数) 。如果机械传动链没有传动误 差，则m = 疗为一常数；如果机械传动链有传动误差，则m 是一变化的整数值，其 变化量毗= ，一m ( 对应与厶口) 。 这样的测量方式存在的一个问题就是只值的超界问题，如图2 ：1 5 所示。即如 果初时相位q 较小，由于传动误差的影响，易可能会变成负值，这样在直接的脉 冲计数下是测不到的，这样就遗漏了信号b 的一个脉冲周期，其对应的输出轴转角位 移为吼：3 6 0 l ，! o b z ，测量值比实际值大了吼：3 6 0 y 0 x b 2 ；另一种可能就是初时相位 1 21 2 鼠较大，接近一个信号b 的一个周期，由于传动误差的影响，只可能会超出信号 b 的一个周期，这样本次的脉冲计数测量是正确的，但是下一次测得的传动误差值是 不准确的，测量值比实际值要小吼= 3 6 f 0 0 b 2 a 信 b 信 a 信号 b 信 a 1 脉冲信号无超界时 ili 翻转 鼍冲 b ) 脉冲信号有超界时 图2 1 5 脉冲信号超界示意图 南京理工大学硕士学位论文精密传动链动杏传动精度检蔫分折系统的研制 本设计中，利用a 信号和b 信号分别产生二分频脉冲如、易利用二分频脉冲 来判断超界问题。设： l = 4 岛+ a 2 岛 无超界现象 有超界现象 工甜矿+ 万矛l 二二二 a ) 无超界现象时 l b ) 无超界现象时 圈2 1 6 超界现象鳇判别 当没有超界情况时，l 为高电平( b 上升沿有效) ，当出现超界情况时，l 变为低 电平，以此来判断有无超界情况。 设： b 一脉冲细分系数 岛一输入轴角位移信号分频系数 以一输出轴角位移信号分频系数 】_ ：一输入轴光栅编码器线数 1 2 南京理工大学硕士学位论文 麓密传动链动态传动精度检铡分析系统的研制 墨一输出轴光栅编码器线数 则机械传动链输入轴从位置f 运行到位置_ ，的动态传动误差蟊为： 磊= 器如学 其中，c 为状态判别符号，c = - 一虬， _ 、。分别为信号a 、b 的脉冲计数 值。 整个机械传动链的动态传动精度为： 艿= 岛。一岛曲 这种传动检测仪轻便，惯量小；测量时不用每次标定；测量值不受传动比变化的 影响；仪器的测量精度高；可测传动比广泛；可垂直使用，也可以水平使用；其分辨 率极高。这种测量方法适用于精密齿轮传动、分度蜗轮传动、谐波齿轮传动、精密分 度头、雷达、跟踪望远镜等传动链误差的测量，是目前广为流行的一种传动误差测量 方法。 本论文中设计的精密机械传动链动态传动精度检测分析系统主要针对各种精密 传动链，要求测量精度高；作为一种通用的检测系统要使用方便，能适用于广泛的传 动比。鉴于磁分度法测量精度不高，地震仪法不适合低频测量，测量转速亦不能太高 ( 超过4 0 0 r m i n ) ，丽光栅法具有广泛的适应性，使用方便，耪度高，所以，本设计 中的精密机械传动链动态传动耪度测量方法选用光栅法。 2 2 糖密机械传动链动态传动糖度检测分析系统总体设计 传统的机械传动链传动精度检测仪器多为专用的系统，各功能模块集成在一起， 软硬件紧密结合，很难进行技术升级，开发维护成本较高，一旦落后便面临被淘汰的 命运。 相对于传统仪器，虚拟仪器有许多的独特的优点，它代表了现代科学仪器智能化、 网络化、虚拟化的发展方向。虚拟仪器与传统仪器的性能比较如表2 2 所示 表2 2 虚拟仪器与传统仪器性能比较 项目虚拟仪器传统仪器 功能用户定义，功能多厂家定义，功能少 关键部件软件硬件 数据采集和计算机读数、分析处理；数据可编辑、 处理存储、打印 读数不方便，无法编辑 智能化程度 高 低 南京理工大学硕士学位论文精密传动链动态传动精度检潮分析系统的研翻 更新周期短( 1 - 2 年)长( 5 - 1 0 年) 开发维护费 低高 价格低廉昂贵 开放程度 灵活。可重复配置和使用 固定 连接范围广，通过网络连接有限 便携性高低 网络化程度高，通过总线组网 低 通过虚拟仪器与传统仪器的比较，可以看出虚拟仪器的众多优点，所以本设计中 采用虚拟仪器。这样以来，本设计的重心落在软件编程上，并且在最大程度上降低了 开发费用。 目前，国际上比较流行的虚拟仪器开发系统有l a b v i e w 、l o o k o u t 、b r i d g e v i e w 和l a b w i n d o w 忙等【2 1 1 。国内外应用最广泛的是n i 公司的l a b v m w ，学校图书馆有 大量相关的资料可以参考。l a b v i w e 不仅提供了遵 a o p m 、v x i 、r 8 - 2 3 2 和r s - 4 8 5 协议的硬件和数据采集卡通信的全部功能圆，还内置j t c p i p , a c t i v e x 等软件标准的 库函数，而且其图形化的编程界面使编程过程变的生动有趣。 所以本设计中选用应用最为普遍的n i 公司的l a b v i e w 7 1 作为系统开发平台。 2 2 1 精密机械传动链动态传动精度检测分析系统虚拟仪器架构类型的选择 目前，虚拟仪器架构主要有三种类型：基本型、标准通用接口型和闭环控制型 应该根据测量任务的不同进行具体分析选择合适的类型。 ( 1 ) 基本型，如图2 2 1 1 所示，系统由最基本的功能模块组成，模块阔通过 自定义的导线相联系，不需要控制，规模不大的检测系统多采用这种形式。 参考量 参考量 参考量 参考量 f 传感器卜一信号调理卜_ 一 j 传感器卜_ 一信号调理卜_ + 数 f 传感器卜_ 一信号调理卜一 橐 集 i 传感器卜叫信号调理卜_ + 卡 网 i 显示打印i i _ j 图2 211 基本型的动态传动精度检测分析系统 ( 2 ) 标准通用接口型，如图2 2 1 2 所示，这种检测系统通常用在大型的复杂 系统中，实现的功能较多。各个子系统功能相对独立，并通过总线进行协调规模不 是太大的系统没有必要采用这种类型。 1 4 南京理- r ：t 硬士学位论文 精密传动链动客传动麓度检测分析系统的研翻 图2 2 1 2 具有g p i b 总线接口的动态传动精度检测分析系统 ( 3 ) 闭环控制型，如图2 2 1 3 所示。需要控制反馈功能的检测系统多采用这 种形式，例如：生产线上载台的精确定位；工业机器人的位姿控制等 图2 2 1 3 闭环控制系统中的动态传动糟度检测系统 从以上可以看出任何一种虚拟仪器的架构类型都少不了检测部分即前向通道，第 2 种类型是将若干个小检测系统组合成复杂的大检测系统，第三种类型是在检测系统 的基础上增加了反馈控制系统即通常所说的后向通道。 计 数 嚣 图2 2 1 4 精密机械传动链动态传动精度信号检测分析系统原理图 南京理工大学硕士学位论文 精密传动链动态传动精度检测分析系统的研翻 鉴于机密机械传动链动态传动精度检测分析系统相对不是太复杂的巨型系统，要 采集的是机械传动链输入轴和输出轴两路角位移信号，只需要两个光栅编码器和一个 多通道数据采集卡，不需要太多的子仪器系统配合，也不需要反馈控制系统调节输入 信号。所以，本设计采用最基本的第一种虚拟仪器架构类型：基本型。虚拟仪器类型 选定以后，结合实验测量对象( 谐波齿轮减速器) ，精密机械传动链动态传动精度检测 分析系统原理设计如图2 2 1 4 所示。 2 2 2 精密机械传动链动态传动糟度检舅分析系统应用的总线类型的选择 目前，国内外应用于支持l a b v i e w 的总线有p c i 总线、6 p i b 总线、p x i 总线、v x i 总线和串口总线。应用最为广泛的要数p c i 总线，这要得益于它无可比拟的性价比【4 l 】。 ( 1 ) 基于p c i 总线的虚拟仪器检测系统在性能、灵活性、易用性和低价格等方 面具有绝对优势。其仪器硬件为插卡式，具有与计算机插卡同样的尺寸，将硬件插卡 直接插入计算机中的p c i 槽上即可构成检测系统，充分利用计算机的资源来实现数据 采集及处理、故障分析诊断和过程控制等智能测控。缺点在于基于p c i 总线的虚拟仪 器检测系统缺乏触发标准化及其所处的计算机环境，不能满足大功率、高质量及需要 考虑r f i 叫i 屏蔽的复杂精密检测的任务要求，插卡的连线也可能因所用的计算机型 号的限制而产生困难，且其插槽数十分有限，难以容纳大量的通道。 ( 2 ) g p i b 体系结构采用非同步传送方式，最大传输速率只有i m b s ，最多只能 连接1 5 个设备( 包括作为主控模型的微机) 。其优点是用户可以充分利用自己的计算 机和仪器资源，且组建方便灵活、操作简单，曾是国际流行的自动检测系统。现在， 有时也采用g p i b 总线作为辅助，以充分利用原有的仪器资源，或弥补其他仪器模块 的不足。 ( 3 ) p x i 总线产品对p c i 总线产品完全兼容，在许多领域，基于它们的虚拟仪 器检测系统可以互相替换，且前者的性能要超过后者 2 3 1 ，但价格也要高一些。用户如 果想由现在的基于p c i 总线的虚拟仪器检测系统转向基于p x i 总线的虚拟仪器检测系 统，则只需对硬件投资，原有的软件可以不加任何修改而运行在p x i 系统上。同时由 于p x i 总线对机箱内器件的工作环境作了严格的规定以及p x i 系统拥有比台式计算机 多得多的扩展槽，这使得p x i 系统可以在恶劣的环境中正常工作，从而可以适应各种 各样更大更复杂的检测领域。p x i 总线是在p c i 总线基础上借鉴y x i 总线的仪器特性 组合而成的，它在价格和性能上介于p c i 系统和娘i 系统之间，具有较高的性价比。 ( 4 ) v i i 总线模块本身不带电源，没有面板、按键、旋钮和显示器。电参数的 设定及测量结果的显示必须通过软件面板来实现，是不错的虚拟仪器系统平台。将 v x i 总线技术与计算机网绍技术相结合，利用现有互联网的网络资源，可在实现交互 式网页的基础上组建远程通信及检测网络。v x i 总线的系统结构为虚拟仪器的发提供 1 6 南京理工大学硕士学位论文 精密传动链动态传动精度检翻分析系统的研镧 了更为理想的环境，基于v x i 总线的虚拟仪器检测系统将成为2 1 世纪程控检测系统 的主流。受高昂的价格的限制，、】【i 总线主要应用于尖端检测领域，如军工、航空航 天等。 ( 5 ) 串口总线接口简单、操作方便。通过r s - 2 3 2 串口总线与p c 机构成虚拟仪 器系统仍是目前的虚拟仪器架构的主要方式之一，主要应用于速度较底的检测系统。 u s b 接口适用于普及型的廉价检测系统，应用前景较为广阔 基于以上各种总线的比较，作为一个不是太大而要求一定检测精度的系统，高性 价比的p c i 总线无疑是最好的选择。但考虑到虚拟仪器的通用性，该系统将来可能会 用于其它任务，p c i 总线可能无法胜任多输入输出系统的功能，因为其插槽有限，并 需要与所配用的计算机主板兼容，而p x i 总线产品对b c i 总线产品完全兼容，基于它们 的虚拟仪器系统可以互相替换，且前者的性能要超过后者。p x i 总线方式下还有很多 可扩展的插槽，很容易实现一机多用的功能，所以该设计中采用p x i 总线方式。 2 2 3 精密机械传动链动杏传动精度检测分析系统信号处理方法的选择 精密机械传动链动态传动精度检测中，由于所采集的原是信号总是存在着一定程 度的噪声干扰。需要运用信号处理的方法进行降噪；所测得的传动误差信号是一组离 散的数值，并不能直接看出其细节信息，也需要对其进行信号处理，以提取传动误差 信号的细节特征，以便于找出传动误差产生的根源。 对机械传动链动态传动精度检测数据处理的方法主要有快速傅立叶变换( f f t ) 、 短时傅立叶变换和小波分析技术。它们各自的特性及优缺点如下； ( 1 ) 传统的快速傅立叶变换( f f t ) 方法是长期使用的有效工具。它是用平稳的 正弦波作为基函数去分解代表机械传动链动态传动误差的离散信号撕) ，得到其频谱 x ( 厂) 。这一变换建立了一个从时域到频域的通道。谱石【厂) 显示了包含在m ) 中的任 一频率厂的总强度。但这种分解无法同时兼顾信号在时域和频域的全貌和局部化特 征，即快速傅立叶变换中，时域和频域是分离的。 ( 2 ) 短时傅立叶变换是g a b o r 在傅立叶变换的基础上发展起来的一种时频分析 方法，它是用一个时间宽度很短的、可以在时间坐标上滑动的窗函数与信号相乘再来 进行傅立时变换。短时傅立时变换中，时域和频域仍然是分离的。 ( 3 ) 小波包分析对小波变换中没有分解的高频段信号进行再分解，在不同的层 次上对各种频率作不同的分辨率选择，更具有灵活性。以m a l l a t 算法为基础，小波 包信号分解与重构也具有快速算法，工程实用性很强1 6 j 。 精密机械传动链动态传动精度检测分析系统的设计中主要利用m a l l a t 算法将动 1 7 南京理工大学颈士学位论文精密传动链动杏传动糖度检舅分析系统的研制 态传动误差测量得到的离散信号多层分解，将原始信号中的高频噪声进行压缩分离， 然后经过信号重组来恢复原始信号，这样就极大的降低了噪声对动态传动精度误差测 量信号的污染；利用小波包分析技术在最优基下对传动误差信号进行分解和重建，较 好的对其的时频特征进行了识别。 2 3 本章小缩 本章通过对目前机械传动链动态传动精度检测技术领域的分析研究，并结合该课 题和本教研室的科研条件解决了机械传动链动态传动精度的检测方法、检测系统仪器 类型、虚拟仪器架构类型和应用总线的类型选择。这样整个精密机械传动链动态传动 精度检测系统的总体架构就确定了，该检测分析系统主要包括信号采集、数据传输、 误差测量、数据分析、数据保存和数据显示等功能模块 南京理工大学硕士学位论文 精密传动链动态传动藉度检辩分析系统的研翻 3 糟密机械传动链动态传动精度检测分析系统的总体结构设计及硬件选 型 精密传动链动态传动精度检测分析系统原理如图3 1 所示。两路光栅编码器通过 精密连轴器分别连接在机械传动链的输入轴和输出轴上。进行动态精度检测时，输入 输出轴的角位移信息a 和b 由两路光栅编码器分别采集，并产生反映输入轴和输出轴 角位移的脉冲信号这两路信号传输到传递给计算机，经过小波将噪去掉信号中的 干扰成分，然后送入计数器进行脉冲计数。误差测量软件模块不断的读取计数器的数 据，以次来计算出传动误差；同时传动误差数值不断的被保存到计算机硬盘的指定空 间，并在显示器上显示出来。误差测量得到的离散数据经过小波包时频分析，最后由 显示器显示出来。详细的数据计算方法与2 1 节中的光栅法精密机械传动链动态传动 精度检测中的计算方法相同，只是后者的门电路等功能在本设计中都是用软件方法来 实现的。 卧 计 数 阡 器 图3 1 糟密机