專利名稱：等時間間隔采樣下的非均速傳動系統(tǒng)誤差溯源方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機械動態(tài)測試技術領域中傳動系統(tǒng)的傳動誤差測試技術領域，涉及數(shù)字信號處理和傳感器技術領域，特別涉及一種等時間間隔采樣下變周期回轉系統(tǒng)的誤差測試與溯源。
背景技術：
傳動系統(tǒng)的應用十分普遍，用來實現(xiàn)動力傳輸、改變轉速、扭矩轉向等。在一些精密機電系統(tǒng)中，傳動機構運轉的均勻性與精確性對整個系統(tǒng)的性能至關重要。傳動誤差是影響傳動系統(tǒng)性能的主要因素，也是振動和噪聲的重要來源。特別是對于高檔數(shù)控設備， 其傳動誤差是影響加工精度的主要因素。因此，對機械結構的傳動誤差進行準確評估進而實現(xiàn)誤差溯源對提高傳動精度，減小振動和噪聲，提高產品的加工質量，具有十分重要的意義。對傳動系統(tǒng)的輸入和輸出軸進行同步運動位置采樣是傳動誤差進行溯源的前提。 隨著傳感器技術的發(fā)展，光柵編碼器、磁柵編碼器等角位移測量設備的精度和頻響范圍得到很大提高，并大量應用于高檔數(shù)控設備、精密傳動裝置和機器人等工業(yè)領域，為傳動誤差的測量和溯源提供了堅實的硬件條件。從傳動系統(tǒng)輸入和輸出軸的運動信息獲取方式來講，可以分為等角度采樣方法和等時間間隔采樣方法。盡管現(xiàn)有的等角度采樣方法，通過角頻譜分析可以實現(xiàn)傳動誤差的溯源，但是該方法存在以下缺陷①.等角度采樣方法一般依靠光柵產生的脈沖信號觸發(fā)和停止定時器計時，從而獲得傳動軸在相鄰兩個光柵條紋之間的運行時間，但是由于安裝在輸入軸和輸出軸的光柵觸發(fā)時刻不一致，很難實現(xiàn)運動信息的同步采集，從而造成計算誤差。②.等角度采樣方法每周的最大測量點數(shù)有限，其極限值為光柵條紋數(shù)/N。其中， N為采樣條紋間隔。當采用低條紋數(shù)光柵時，測得的傳動誤差是采樣角度范圍內的誤差累加結果，很容易將早期微弱故障信號掩蓋。例如對于條紋數(shù)為IOM的編碼器，如果采樣條紋間隔取20，那么每周的采樣點數(shù)約為50，傳動誤差的角度分辨率為360/50 = 7. 2°。這時，各采樣點測得的結果是傳動誤差在每7. 2°范圍內的累加平均值。然而對于傳動系統(tǒng)的早期故障，其導致的傳動誤差量值往往只有幾十個角秒，如果在7. 2°范圍對傳動誤差做累加，這種微弱信號很容易被掩蓋，從而導致對傳動系統(tǒng)早期故障的溯源失敗。③.由于等角度采樣方法是利用參考軸的光柵條紋產生的脈沖信號觸發(fā)計時，其測量精度受傳動比和輸入輸出軸的分辨率影響較大，導致測量設備的通用性差。從目前來講，無論是機床數(shù)控系統(tǒng)，還是通用數(shù)據(jù)采集設備大多都采用基于等時采樣的信息獲取方式，這也是現(xiàn)代測試方法的一個發(fā)展趨勢。然而在等時采樣方式下，雖然可以進行對精密回轉機械的傳動誤差進行測量，但只有當傳動系統(tǒng)滿足勻速平穩(wěn)運行的條件下才能對傳動誤差進行頻譜分析，進而對傳動誤差的成因進行溯源。這種勻速運行要求大大限制了傳動誤差溯源的應用范圍。從目前國內外研究現(xiàn)狀來看，尚無基于等時間間隔采樣的非勻速傳動系統(tǒng)誤差溯源方法的相關文獻和專利發(fā)布。
從誤差溯源機理來講，在等時采樣下測得的誤差是傳動誤差關于等時間間隔序列的函數(shù)，當傳動系統(tǒng)的某個環(huán)節(jié)上存在缺陷，并且傳動系統(tǒng)勻速運行時，這種缺陷在等時采樣序列中的反映呈現(xiàn)一定的周期性。這時利用FFT方法就可以對缺陷的頻率進行識別，進而與傳動系統(tǒng)的特征頻率進行匹配，從而定位故障源，這是等時采樣下常規(guī)誤差溯源方法的基本原理。可見，常規(guī)等時采樣方法對誤差進行溯源的必要條件是傳動系統(tǒng)的勻速運行。 然而當傳動系統(tǒng)的轉速發(fā)生變化時，傳動誤差序列的周期性特征受到干擾，從而導致頻譜分析方法的失敗。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供一種等時間間隔采樣下的非均速傳動系統(tǒng)誤差溯源方法，該方法能夠對非均勻轉速下等時間間隔采樣的數(shù)據(jù)進行處理， 得出對應工作狀態(tài)下的等角度采樣結果，進而采用相關的譜分析方法就可以實現(xiàn)動態(tài)傳動誤差的準確估計與溯源，從而不再要求測試對象必須為勻速運動即可準確實現(xiàn)動態(tài)傳動誤差的估計與溯源。本發(fā)明是通過以下技術方案來解決的本發(fā)明的該種等時間間隔采樣下的非均速傳動系統(tǒng)誤差溯源方法，具體包括以下步驟步驟一傳動系統(tǒng)在非勻速運轉過程中，利用計數(shù)卡或數(shù)采卡以設定的采樣時間間隔同步采集被測傳動系統(tǒng)輸入和輸出軸的運動信息，得到原始數(shù)據(jù)為輸入軸和輸出軸的光柵計數(shù)值；步驟二 將測得的光柵計數(shù)值通過公式(1)轉換為相應的角位置數(shù)據(jù)；=^(1)其中C(n)——輸入軸或輸出軸編碼器的光柵計數(shù)值；N——輸入軸或輸出軸編碼器的光柵條紋數(shù)；P (η)——輸入軸或輸出軸相應的角位置數(shù)據(jù)；步驟三根據(jù)傳動系統(tǒng)的傳動比SR，將輸出軸理論轉角和實際轉角進行對比，得到傳動誤差ε (η)隨等時間采樣序列η之間的關系，如式(2)所示ε (η) = P0 (η)-Pi (η)/SR(2)其中Ρ。(η)為第η次采樣時，輸出軸編碼器的光柵計數(shù)值；Pi(Ii)為第η次采樣時，輸入軸編碼器的光柵計數(shù)值；步驟四依據(jù)采樣時間與運動位置關系，重構傳動誤差與角位置之間的映射，進而通過三次樣條插值方法建立傳動誤差與等角度重采樣序列之間的映射關系；步驟五對上述等角度重采樣序列進行角頻譜分析，并得到傳動誤差的角頻率譜圖；步驟六將角頻率譜圖和傳動系統(tǒng)的特征頻率進行對比，確定傳動誤差源和故障嚴重程度。對以上對步驟四的進一步限定為1)首先利用各采樣點處的光柵計數(shù)值，將傳動誤差與等時間采樣序列之間的關系轉化為傳動誤差與非等間隔角度采樣序列之間的關系。2)利用三次樣條插值，建立傳動誤差與傳動角位置之間的函數(shù)關系。3)根據(jù)傳動誤差與傳動角位置之間的函數(shù)關系，進行等角度重采樣，得到傳動誤差與等角度重采樣序列之間的映射關系。本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術，具有以下有益效果a)現(xiàn)有技術只能在勻速回轉工況下才能對誤差進行溯源，而本發(fā)明對回轉速度沒有要求?？梢詫崿F(xiàn)任意轉速下的傳動誤差溯源，因此，本發(fā)明擴大了現(xiàn)有技術的應用范圍。b)基于本發(fā)明可以開發(fā)通用的傳動誤差測量與溯源設備，將有效降低現(xiàn)有方法的測試時間和費用，并提高傳動誤差的測量精度。


圖1為原始數(shù)據(jù)為輸入軸和輸出軸的光柵計數(shù)值數(shù)據(jù)圖；圖2為實際傳動誤差曲線圖；圖3為采用等時間間隔采樣得到的傳動誤差序列圖；圖4為傳動誤差與角位置之間的映射圖；圖5為對傳動誤差與角位置之間的映射進行等角度重采樣后得到的序列；圖6為測量原理與測試系統(tǒng)；圖7為非均勻轉速下的傳動誤差分析圖；圖8為傳統(tǒng)的傳動誤差分析圖。
具體實施例方式本發(fā)明的等時間間隔采樣下的非均速傳動系統(tǒng)誤差溯源方法，包括以下步驟步驟一傳動系統(tǒng)在非勻速運轉過程中，利用計數(shù)卡或數(shù)采卡以設定的采樣時間間隔同步采集被測傳動系統(tǒng)輸入和輸出軸的運動信息，得到原始數(shù)據(jù)為輸入軸和輸出軸的光柵計數(shù)值，如圖1所示。步驟二 將測得的光柵計數(shù)值通過公式(1)轉換為相應的角位置數(shù)據(jù)；P(n) = ν ,ν——(1)其中C(n)——輸入軸或輸出軸編碼器的光柵計數(shù)值；N——輸入軸或輸出軸編碼器的光柵條紋數(shù)；P (η)——輸入軸或輸出軸相應的角位置數(shù)據(jù)；步驟三根據(jù)傳動系統(tǒng)的傳動比SR(輸入轉速和輸出轉速之比)，將輸出軸理論轉角和實際轉角進行對比，得到傳動誤差ε (η)隨等時間采樣序列η之間的關系，如式(2)所示
權利要求
1.一種等時間間隔采樣下的非均速傳動系統(tǒng)誤差溯源方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一傳動系統(tǒng)在非勻速運轉過程中，利用計數(shù)卡或數(shù)采卡以設定的采樣時間間隔同步采集被測傳動系統(tǒng)輸入和輸出軸的運動信息，得到的原始數(shù)據(jù)為輸入軸和輸出軸的光柵計數(shù)值；步驟二 將測得的光柵計數(shù)值通過公式(1)轉換為相應的角位置數(shù)據(jù)；P(n) = ^(1)其中C(n)——輸入軸或輸出軸編碼器的光柵計數(shù)值； N——輸入軸或輸出軸編碼器的光柵條紋數(shù)； P (η)——輸入軸或輸出軸相應的角位置數(shù)據(jù)； 步驟三根據(jù)傳動系統(tǒng)的傳動比SR，將輸出軸理論轉角和實際轉角進行對比，得到傳動誤差ε (η)隨等時間采樣序列η之間的關系，如式(2)所示 ε (n) = P。(n)-Pi (n)/SR(2)其中Ρ。(η)為第η次采樣時，輸出軸編碼器的光柵計數(shù)值； Pi(Ii)為第η次采樣時，輸入軸編碼器的光柵計數(shù)值；步驟四依據(jù)采樣時間與運動位置關系，重構傳動誤差與角位置之間的映射，進而通過三次樣條插值方法建立傳動誤差與等角度重采樣序列之間的映射關系；步驟五對上述等角度重采樣序列進行角頻譜分析，并得到傳動誤差的角頻率譜圖； 步驟六將角頻率譜圖和傳動系統(tǒng)的特征頻率進行對比，確定傳動誤差源和故障嚴重程度。
2.根據(jù)權利要求1所述的等時間間隔采樣下的非均速傳動系統(tǒng)誤差溯源方法，其特征在于，步驟四中1)首先利用各采樣點處的光柵計數(shù)值，將傳動誤差與等時間采樣序列之間的關系轉化為傳動誤差與非等間隔角度采樣序列之間的關系；2)利用三次樣條插值，建立傳動誤差與傳動角位置之間的函數(shù)關系；3)根據(jù)傳動誤差與傳動角位置之間的函數(shù)關系，進行等角度重采樣，得到傳動誤差與等角度重采樣序列之間的映射關系。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種等時間間隔采樣下的非均速傳動系統(tǒng)誤差溯源方法。在等時間間隔采樣情況下，傳統(tǒng)的傳動誤差溯源方法要求傳動系統(tǒng)勻速運行，而當傳動系統(tǒng)轉速存在波動時，則無法對采樣序列進行頻譜分析以確定傳動誤差源。為了克服原有方法的缺陷，本發(fā)明充分利用非均勻轉速下的機床傳動軸運動信息數(shù)據(jù)，并基于樣條插值原理，將原有的等時間采樣序列通過空間重采樣方法轉化為等角度采樣序列，進而通過傳動誤差的角頻譜分析方法，確定誤差的來源和大小，從而解決了非均勻轉速下傳動誤差的評估和溯源問題。由于本方法可在傳動系統(tǒng)運行過程中實時測量，并且對運行轉速的平穩(wěn)性沒有要求，因此，本方法具有更加廣泛的應用范圍。
文檔編號G01M13/02GK102305712SQ20111012942
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權日2011年5月18日
發(fā)明者廖與禾, 林京, 王琇峰, 趙明, 雷亞國 申請人:西安交通大學