直驅(qū)工件主軸傳動(dòng)鏈測(cè)試

趙艷杰， 屈飛虎， 蘭輝

（秦川機(jī)床工具集團(tuán)股份公司，陜西 寶雞721009）

0 引 言

在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床控制的領(lǐng)域，影響伺服控制系統(tǒng)性能的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)為跟隨誤差和輪廓誤差[1]。本文用兩種方法對(duì)工件主軸（C軸）、砂輪主軸（B軸）的同步性做了傳動(dòng)鏈測(cè)試。

1 用測(cè)試系統(tǒng)IK220測(cè)試

IK220測(cè)試系統(tǒng)是西安交通大學(xué)智能儀器與監(jiān)測(cè)診斷研究所開發(fā)的機(jī)床傳動(dòng)鏈動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)，具有定轉(zhuǎn)速及變轉(zhuǎn)速下的傳動(dòng)鏈動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)和分析、反向間隙及回差誤差檢測(cè)和分析等功能。測(cè)試原理為：工控機(jī)作為硬件平臺(tái)的核心，通過驅(qū)動(dòng)IK220 計(jì)數(shù)器，以一定的采樣頻率直接從機(jī)床伺服控制系統(tǒng)同步讀取各運(yùn)動(dòng)軸的位置信息，通過信號(hào)處理方法獲得多軸同步性數(shù)據(jù)及傳動(dòng)誤差量值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多軸同步性評(píng)估和傳動(dòng)誤差溯源。

機(jī)床基本信息如表1所示。

表1 YK72XX機(jī)床基本信息

為了對(duì)YK72XX蝸桿砂輪磨齒機(jī)的跟隨誤差進(jìn)行分析，并對(duì)傳動(dòng)鏈測(cè)試系統(tǒng)的性能進(jìn)行功能驗(yàn)證，我們分別在砂輪主軸轉(zhuǎn)速為1800 r/min、3000 r/min、4000 r/min開展測(cè)試工作，以下為各轉(zhuǎn)速下的跟隨誤差分析結(jié)果。

1.1 砂輪主軸轉(zhuǎn)速為1800 r/min測(cè)試

1）跟隨誤差分析。B、C軸跟隨誤差如圖1所示。

圖1 累計(jì)傳動(dòng)誤差曲線

以B軸的運(yùn)動(dòng)作為基準(zhǔn)，將C軸的理論進(jìn)給和實(shí)際進(jìn)給作比較，得到Y(jié)K72XX機(jī)床的跟隨誤差情況。該機(jī)床最大跟隨誤差為7.76″。

2）跟隨誤差的頻次分析。跟隨誤差的頻次分析主要用于判斷各頻率分量對(duì)跟隨誤差的貢獻(xiàn)大小，我們將C軸的運(yùn)動(dòng)作為基準(zhǔn)，由圖2可以發(fā)現(xiàn)C軸的72倍頻、66倍頻、144倍頻及132倍頻對(duì)跟隨誤差的貢獻(xiàn)最大。

圖2 傳動(dòng)參考軸變動(dòng)頻次

3）均勻性誤差曲線。均勻性誤差是指實(shí)際進(jìn)給與理想進(jìn)給的偏差情況，通過測(cè)試可以得到，C軸（一號(hào)軸）的最大進(jìn)給誤差為7.75″，B軸（二號(hào)軸）的最大進(jìn)給誤差為23.4″。其分布情況如圖3、圖4所示。

圖3 C軸運(yùn)動(dòng)均勻性誤差曲線

圖4 B軸運(yùn)動(dòng)均勻性誤差曲線

1.2 砂輪主軸轉(zhuǎn)速為3000 r/min測(cè)試

1）跟隨誤差分析。3000 r/min下YK72XX的跟隨誤差情況如圖5所示，最大跟隨誤差為8.33″。

圖5 累計(jì)傳動(dòng)誤差曲線

2）跟隨誤差的頻次分析。將C軸的運(yùn)動(dòng)作為基準(zhǔn)，由圖6可以發(fā)現(xiàn)，C軸的72倍頻、66倍頻、144倍頻及132倍頻對(duì)跟隨誤差的貢獻(xiàn)最大。與1800 r/min下的情況一致。

圖6 傳動(dòng)參考軸變動(dòng)頻次

3）均勻性誤差曲線。通過測(cè)試可以得到，C軸（一號(hào)軸）的最大進(jìn)給誤差為8.35″，B軸（二號(hào)軸）的最大進(jìn)給誤差為29.59″。其分布情況如圖7、圖8所示。

圖7 C軸運(yùn)動(dòng)均勻性誤差曲線

圖8 B軸運(yùn)動(dòng)均勻性誤差曲線

1.3 砂輪主軸轉(zhuǎn)速為4000 r/min測(cè)試

1）跟隨誤差分析。4000 r/min下YK72XX的跟隨誤差情況如圖9所示，最大跟隨誤差為12.49″。

圖9 累計(jì)傳動(dòng)誤差曲線

2）跟隨誤差的頻次分析。將C軸的運(yùn)動(dòng)作為基準(zhǔn)，由圖10可以發(fā)現(xiàn)，C軸的72倍頻、66倍頻、144倍頻及132倍頻對(duì)跟隨誤差的貢獻(xiàn)最大。與1800 r/min下的情況一致。

圖10 傳動(dòng)參考軸變動(dòng)頻次

3）均勻性誤差曲線。通過測(cè)試可以得到，C軸（一號(hào)軸）的最大進(jìn)給誤差為12.25″，B軸（二號(hào)軸）的最大進(jìn)給誤差為53.70″。其分布情況如圖11、圖12所示。

圖11 C軸運(yùn)動(dòng)均勻性誤差曲線

圖12 B軸運(yùn)動(dòng)均勻性誤差曲線

2 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)直接讀取數(shù)據(jù)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，在3000 r/min下，將直接從數(shù)控系統(tǒng)讀取的數(shù)據(jù)與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1）跟隨誤差分析。3000 r/min下由YK72XX機(jī)床讀取數(shù)據(jù)，計(jì)算得到的跟隨誤差情況如圖13所示，最大跟隨誤差為10.9″，與測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的8.33″較為接近。

圖13 累計(jì)傳動(dòng)誤差曲線

2）跟隨誤差的頻次分析。將C軸的運(yùn)動(dòng)作為基準(zhǔn)，由圖14可以發(fā)現(xiàn)，C軸的72倍頻、66倍頻、144倍頻及132倍頻對(duì)跟隨誤差的貢獻(xiàn)最大。與測(cè)試系統(tǒng)結(jié)果一致。

圖14 傳動(dòng)參考軸變動(dòng)頻次

3）均勻性誤差曲線。通過機(jī)床讀取數(shù)據(jù)可以得到，C軸的最大進(jìn)給誤差為13.2″，B軸的最大進(jìn)給誤差為38.8″，與測(cè)試系統(tǒng)結(jié)果接近。其分布情況如圖15、圖16所示。

圖15 C軸均勻誤差曲線

圖16 B軸均勻性誤差曲線

3 結(jié) 論

1）1800 r/min下YK72XX的最大跟隨誤差為7.76″，3000 r/min下的最大跟隨誤差為8.35″，4000 r/min下的最大跟隨誤差為12.49″?？梢姡瑥?800～3000 r/min跟隨誤差的變化不明顯，而從3000～4000 r/min，跟隨誤差變化較大。

2）從各轉(zhuǎn)速下的頻次分析可以看出，C軸的72倍頻、66倍頻、144倍頻及132倍頻對(duì)跟隨誤差的貢獻(xiàn)最大，可通過改進(jìn)電動(dòng)機(jī)磁極的對(duì)稱性進(jìn)一步提高C軸與B軸的跟隨精度。

3）70倍頻及140倍頻分量反映了C軸的位置跟隨精度，在1800～3000 r/min下，70倍頻及140倍頻分量的幅值都較小，在這個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)C軸具有較高的跟隨精度；而4000 r/min下，C軸70倍頻及140倍頻分量的幅值明顯增大，說明在4000 r/min下，跟隨精度下降較大。

4）雖然在數(shù)值上來講，B軸的均勻性誤差要大于C軸的均勻性誤差，但是考慮到轉(zhuǎn)速比因素，跟隨誤差主要還是由于C軸運(yùn)動(dòng)的不均勻引起的。

5）通過對(duì)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)果與機(jī)床實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)試系統(tǒng)得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近，并且特征頻譜吻合較好。另外，由于測(cè)試系統(tǒng)IK220可以對(duì)光柵條紋進(jìn)行更加精確的細(xì)分，其測(cè)量精度完全能滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求。