近些年隨著我國工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展， 對裝備制造業(yè)提出了更高的要求， 具體包括制造精度、可靠性、強(qiáng)度、剛度等性能， 其中精度和可靠性尤為重要， 其代表了一個(gè)國家的制造業(yè)水平。精密傳動(dòng)鏈憑借其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)， 在要求高精度和高動(dòng)態(tài)性能的設(shè)備中得到了越來越廣泛的應(yīng)用， 其對制造業(yè)水平的提高， 制造精度和可靠性起到了保障作用。因此高精度優(yōu)良動(dòng)態(tài)性能的傳動(dòng)裝置的研制開發(fā)非常重要， 與此同時(shí)， 精密傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差檢測分析也成為亟待解決的問題之一。傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)誤差的測量有多種檢測手段和方法， 按照其測量的方式來看通常主要有動(dòng)態(tài)測量和靜態(tài)測量兩種方法， 下面將對其分別進(jìn)行介紹和分析說明。
1 靜態(tài)測量
靜態(tài)測量是指將傳動(dòng)鏈的輸入端轉(zhuǎn)過一定角度后停下來， 在靜止的狀態(tài)下測量輸入端和輸出端各自的轉(zhuǎn)角， 兩者進(jìn)行比較從而得到傳動(dòng)誤差的方法。通常選用的儀器有光學(xué)度盤、經(jīng)緯儀、多面體、數(shù)字測角儀、分度頭、自整角機(jī)以及旋轉(zhuǎn)變壓器等［1］。其中， 多面體、經(jīng)緯儀、光學(xué)度盤屬于光學(xué)式測量， 使用還需分別輔助于自準(zhǔn)直光管和讀數(shù)顯微鏡等設(shè)備。
靜態(tài)測量方法的應(yīng)用如圖1 所示， 圖1 的測試原理為多面體法， 它利用光學(xué)多面棱體并輔助于光柵、自準(zhǔn)平行光管等設(shè)備進(jìn)行測量。
測量時(shí)光柵安裝在傳動(dòng)裝置輸入端上， 輸出端安裝高精度角度計(jì)量元件———12 面體， 利用自準(zhǔn)平行光管對12面體進(jìn)行觀測并定位。光柵記錄儀所顯示的值， 是輸入軸的實(shí)際轉(zhuǎn)角值， 其與理論轉(zhuǎn)角的偏差即為輸入軸在該點(diǎn)的傳動(dòng)誤差。在輸出軸旋轉(zhuǎn)一周范圍內(nèi)測量時(shí)， 取其中最大值與最小值的差值， 便可得到以輸出軸一周為周期的減速器的輸入軸的角度傳動(dòng)誤差［2］。
靜態(tài)測量的測量過程是不連續(xù)的， 不像動(dòng)態(tài)測量那樣能比較全面地將傳動(dòng)誤差揭示出來。這種測量回轉(zhuǎn)誤差的方法由于其設(shè)備簡單、理論比較成熟、造價(jià)較低， 容易實(shí)施， 在早期得到廣泛的應(yīng)用。
2 動(dòng)態(tài)測量
隨著精密傳動(dòng)裝置的廣泛應(yīng)用， 靜態(tài)測量法逐漸暴露了它的缺點(diǎn)和局限性。精密傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)誤差具有高頻性質(zhì)， 而靜態(tài)測量法測量的是傳動(dòng)過程中若干個(gè)間斷點(diǎn)的傳動(dòng)誤差， 它反映的誤差不全面， 并且測得的誤差有可能并不是傳動(dòng)鏈最大誤差， 更無法進(jìn)行頻譜分析， 不便于分析和查找主要誤差來源， 不利于進(jìn)一步確定提高精度的途徑。因此， 隨著高性能處理器和高精度傳感器的普及， 動(dòng)態(tài)測試己逐漸成為現(xiàn)代測試技術(shù)的標(biāo)志和主流［3］。
動(dòng)態(tài)測量是指在接近工作時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)下測量輸入端和輸出端的轉(zhuǎn)角， 兩者進(jìn)行比較而得到傳動(dòng)誤差的方法，其測量過程是連續(xù)的， 或者說是接近于連續(xù)的， 因此它能將傳動(dòng)誤差全面地揭示出來。測量的方法有磁分度法、慣性法、光柵法和時(shí)柵法等。
2．1 磁分度法
這種方法可分為絕對比相式、兩路分頻式單路倍頻分頻式、錄放差頻式和差額激磁式等多種。現(xiàn)以絕對比相式為例來介紹磁分度法的測量原理及其過程， 磁分度法絕對比相式測試原理如圖2 所示。
它采用兩個(gè)在圓周上錄有正弦磁波的標(biāo)準(zhǔn)錄磁的磁盤來測量傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)誤差， 測量時(shí)， 將磁盤1 安裝在輸入軸上， 將磁盤2 安裝在輸出軸上。磁盤1 的磁波數(shù)為N1， 磁盤2 的磁波數(shù)為N2 （N1、N2 需為整數(shù)）。兩磁盤的磁波數(shù)之比應(yīng)等于傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比i， 即i＝N1 ／N2。在磁盤1 和磁盤2 的圓周上分別設(shè)置兩個(gè)固定磁頭H1 和H2 用來感應(yīng)磁盤上的正弦信號(hào)。當(dāng)傳動(dòng)鏈工作時(shí)， 輸入軸和輸出軸分別以轉(zhuǎn)速n1、n2 旋轉(zhuǎn)， 這樣， 磁頭H1 便感應(yīng)出頻率為n1N1 的正弦信號(hào)； 磁頭H2 則感應(yīng)出頻率為n2N2 的正弦信號(hào)。由于i＝N1 ／N2， 所以n1N1＝n2N2。即兩磁頭感應(yīng)出的信號(hào)頻率相同。然后， 將兩路信號(hào)經(jīng)過放大、整形， 便可進(jìn)入相位計(jì)中比相。當(dāng)傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)誤差為零時(shí)， 則兩路信號(hào)將保持恒定的相位差; 當(dāng)傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)誤差不為零時(shí)， 則其相位差將隨之改變。相位差的變化量即代表傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)誤差。在實(shí)際測量中， 相位差在相位計(jì)中需進(jìn)行濾波， 濾掉不需要的高次諧波， 將以電壓形式輸出，通過記錄儀， 畫出傳動(dòng)曲線， 然后通過定標(biāo)， 得到傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差。
該種測試方法能夠直接從高精度的磁盤上拾取信號(hào)進(jìn)行比相， 所以測量的精度比較高。但其缺點(diǎn)是需要高精度的錄磁設(shè)備； 磁盤易磨損失磁， 壽命較短； 感應(yīng)信號(hào)弱，不宜用作低速測量； 而且， 這種測量法從信號(hào)進(jìn)來到化成同頻率的過程中經(jīng)過了多次的處理， 這種即使系統(tǒng)復(fù)雜又容易引入誤差， 而且在遇到非整數(shù)（小數(shù)、無理數(shù)） 傳動(dòng)比的時(shí)候， 很難實(shí)現(xiàn)比相過程［4］。
2．2 慣性法
慣性法是一種高精度的動(dòng)態(tài)測量方法， 它利用物體的慣性原理， 產(chǎn)生理想的勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 與被測的不均勻旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相比較而得到角位移偏差的一種測量方法。所以，用該方法制成的儀器被稱為慣性式回轉(zhuǎn)不均勻性檢查儀，又因?yàn)檫@種儀器和地震儀相似， 因此， 這種方法也被稱作地震儀法。其測試原理如圖3 所示。
兩傳感器具有相同固有頻率和阻尼度， 分別安裝在傳動(dòng)裝置的輸入軸和輸出軸上并以角位移偏差作為輸出信號(hào)來測量兩軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之間的相對不均勻性。測量時(shí)傳感器1 將輸入軸角位偏差Δψ1 衰減i 倍后以電信號(hào)輸出， 傳感器2 則將輸出軸角位移偏差Δψ2 以電信號(hào)輸出， 兩輸出信號(hào)便一起進(jìn)入加法器中相減， 消除絕對回轉(zhuǎn)不均勻性誤差， 而得兩軸間相對回轉(zhuǎn)不均勻性誤差， 即是傳動(dòng)誤差引起的輸出軸角位移偏差， 設(shè)傳動(dòng)誤差引起的輸出軸角位移偏差為Δψc， 則Δψc＝Δψ2－Δψ1 ／ i。再經(jīng)載頻放大和功率放大后， 便可由記錄儀畫出傳動(dòng)誤差曲線， 然后通過定標(biāo)就可以得到傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)誤差。
慣性法的測量精度高， 測量頻域范圍寬， 而且設(shè)備相對比較簡單， 測量比較方便， 不需要高精度的測量元件。相對磁分度法而言， 慣性法可以測量任意數(shù)值的傳動(dòng)比，包括非整數(shù)的傳動(dòng)比。但是， 慣性法對于低頻的運(yùn)動(dòng)誤差， 因受其固有頻率限制是不能測量的。此外， 當(dāng)這種儀器在水平方向旋轉(zhuǎn)時(shí)， 由于十字彈簧剛度的影響， 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)呈正弦變化的固有誤差， 影響其測量精度， 最大測量誤差甚至可以達(dá)到垂直使用時(shí)的100 倍。
2．3 光柵法
光柵法是利用光柵度盤產(chǎn)生莫爾條紋， 通過光電轉(zhuǎn)換，將旋轉(zhuǎn)的角位移轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出， 從而測量傳動(dòng)誤差的一種動(dòng)態(tài)測量方法。目前， 光柵法是最為流行的動(dòng)態(tài)精度測試方法， 光柵法測試原理如圖4 所示。
測試時(shí)將光柵式角位移傳感器分別通過精密聯(lián)軸器與被測傳動(dòng)裝置的輸入軸和輸出軸上。傳動(dòng)裝置被驅(qū)動(dòng)后，輸入端和輸出軸的角位移信息分別由兩路光柵傳感器采集， 并產(chǎn)生反映輸入端和輸出軸角位移信息的脈沖信號(hào)。然后將這兩路脈沖信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)， 經(jīng)過小波降噪， 過濾掉信號(hào)中的干擾成分， 再送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。誤差測量軟件模塊不斷讀取計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)， 依次計(jì)算出傳動(dòng)誤差。同時(shí)傳動(dòng)誤差數(shù)值不斷地被保存到計(jì)算機(jī)硬盤的指定空間， 并同時(shí)在顯示器上顯示出來。誤差測量得到的離散數(shù)據(jù)經(jīng)過時(shí)域分析， 最后也由顯示器顯示出來。
使用光柵法測量時(shí)不用每次定標(biāo)； 測量值不受傳動(dòng)比變化的影響； 儀器的測量精度高； 可測量傳動(dòng)比范圍廣；可以垂直使用， 也可水平使用； 但一般比較昂貴［5］。它適用于精密齒輪傳動(dòng)、精密分度頭、雷達(dá)、跟蹤望遠(yuǎn)鏡等精密傳動(dòng)鏈誤差的測量， 是目前最為流行的一種傳動(dòng)誤差動(dòng)態(tài)測試方法。
2．4 時(shí)柵法
目前， 光柵法是應(yīng)用廣泛的傳動(dòng)誤差的動(dòng)態(tài)測試方法， 精度高， 技術(shù)成熟， 但不可避免仍有許多缺點(diǎn)， 其根本原因在于光柵傳感器柵線數(shù)難以進(jìn)一步刻劃， 只能依靠電子細(xì)分， 從而引起成本、可靠性、抗干擾力等方面的問題； 而且對光柵的運(yùn)動(dòng)速度還附加了限制， 必須運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無突變和相對低速等。
重慶大學(xué)彭東林教授針對這些問題提出了以時(shí)間測量空間的時(shí)柵測試法， 并研制成功了無需高精度機(jī)械加工即可實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)柵傳感器。時(shí)柵傳感器的工作原理是時(shí)空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換思想， 即建立相對勻速運(yùn)動(dòng)雙坐標(biāo)系， 則一個(gè)坐標(biāo)系上的位置之差（位移） 表現(xiàn)為另一個(gè)坐標(biāo)系上觀察到的時(shí)間之差。同時(shí)， 把傳感器對刻線尺的要求轉(zhuǎn)化成了電氣問題， 因?yàn)榻鉀Q基于時(shí)間的電氣問題的手段比解決基于空間的機(jī)械問題的手段要多得多， 先進(jìn)得多［6］。
圖5 所示為時(shí)柵法的測試原理。測試時(shí)， 在傳動(dòng)裝置的輸入端和輸出端各安裝一只圓時(shí)柵傳感器， 在傳動(dòng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)， 輸入端和輸出端時(shí)柵傳感器會(huì)在一定周期內(nèi)發(fā)出代表角位移的脈沖當(dāng)量， 然后進(jìn)行放大等預(yù)處理， 再采用計(jì)數(shù)器通過計(jì)數(shù)分別測量其角位移， 再交由上、下位機(jī)組成的分布式誤差檢測分析系統(tǒng)進(jìn)行處理， 得出誤差曲線，分析誤差環(huán)節(jié)［7］。
時(shí)柵法實(shí)現(xiàn)了不依靠刻線尺而實(shí)現(xiàn)精密角位移測量的新技術(shù)， 大大降低了測試成本， 而且對測試現(xiàn)場的環(huán)境沒有過高的要求， 因此同樣可應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)， 從而具有很好的市場前景［8］。
3 結(jié)論
傳動(dòng)誤差是精密傳動(dòng)鏈傳遞運(yùn)動(dòng)的精確度的最重要的技術(shù)指標(biāo)。而傳動(dòng)誤差測試方法的選取是準(zhǔn)確反映傳動(dòng)誤差， 進(jìn)而對誤差進(jìn)行分析研究的關(guān)鍵。
（1） 靜態(tài)測量具有一定的缺點(diǎn)和局限性， 但對頻率較低、精度要求不太嚴(yán)格的傳動(dòng)誤差的測量， 因?yàn)榉椒ê唵危?造價(jià)低， 依然被人們所采用。
（2） 動(dòng)態(tài)測量手段有磁分度法、慣性法、光柵法和時(shí)柵法等， 其測量準(zhǔn)確， 各有不同的特點(diǎn)， 已經(jīng)成為現(xiàn)代傳動(dòng)誤差測試的主流。但具體測試時(shí)， 應(yīng)綜合考慮測量精度與分辨率， 測量的轉(zhuǎn)速范圍， 傳動(dòng)比范圍； 可測誤差的頻率范圍以及記錄儀的頻率響應(yīng)等因素， 選取合理的檢測方法。
（3） 時(shí)柵法使幾何量位移的測量擺脫了對以空間刻劃技術(shù)為代表的精密機(jī)械加工的依賴， 逐漸形成基于以時(shí)間計(jì)量為代表的電氣技術(shù)的新型幾何量位移測量的新模式，具有廣泛的應(yīng)用前景。
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