專(zhuān)利名稱(chēng)：等時(shí)間間隔采樣下的非均速傳動(dòng)系統(tǒng)誤差溯源方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域中傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，涉及數(shù)字信號(hào)處理和傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種等時(shí)間間隔采樣下變周期回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的誤差測(cè)試與溯源。
背景技術(shù)：
傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用十分普遍，用來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸、改變轉(zhuǎn)速、扭矩轉(zhuǎn)向等。在一些精密機(jī)電系統(tǒng)中，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的均勻性與精確性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。傳動(dòng)誤差是影響傳動(dòng)系統(tǒng)性能的主要因素，也是振動(dòng)和噪聲的重要來(lái)源。特別是對(duì)于高檔數(shù)控設(shè)備， 其傳動(dòng)誤差是影響加工精度的主要因素。因此，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)誤差進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估進(jìn)而實(shí)現(xiàn)誤差溯源對(duì)提高傳動(dòng)精度，減小振動(dòng)和噪聲，提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量，具有十分重要的意義。對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入和輸出軸進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)位置采樣是傳動(dòng)誤差進(jìn)行溯源的前提。 隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，光柵編碼器、磁柵編碼器等角位移測(cè)量設(shè)備的精度和頻響范圍得到很大提高，并大量應(yīng)用于高檔數(shù)控設(shè)備、精密傳動(dòng)裝置和機(jī)器人等工業(yè)領(lǐng)域，為傳動(dòng)誤差的測(cè)量和溯源提供了堅(jiān)實(shí)的硬件條件。從傳動(dòng)系統(tǒng)輸入和輸出軸的運(yùn)動(dòng)信息獲取方式來(lái)講，可以分為等角度采樣方法和等時(shí)間間隔采樣方法。盡管現(xiàn)有的等角度采樣方法，通過(guò)角頻譜分析可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)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(chǎn)生的脈沖信號(hào)觸發(fā)和停止定時(shí)器計(jì)時(shí)，從而獲得傳動(dòng)軸在相鄰兩個(gè)光柵條紋之間的運(yùn)行時(shí)間，但是由于安裝在輸入軸和輸出軸的光柵觸發(fā)時(shí)刻不一致，很難實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)信息的同步采集，從而造成計(jì)算誤差。②.等角度采樣方法每周的最大測(cè)量點(diǎn)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(dāng)采用低條紋數(shù)光柵時(shí)，測(cè)得的傳動(dòng)誤差是采樣角度范圍內(nèi)的誤差累加結(jié)果，很容易將早期微弱故障信號(hào)掩蓋。例如對(duì)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(diǎn)數(shù)約為50，傳動(dòng)誤差的角度分辨率為360/50 = 7. 2°。這時(shí)，各采樣點(diǎn)測(cè)得的結(jié)果是傳動(dòng)誤差在每7. 2°范圍內(nèi)的累加平均值。然而對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)的早期故障，其導(dǎo)致的傳動(dòng)誤差量值往往只有幾十個(gè)角秒，如果在7. 2°范圍對(duì)傳動(dòng)誤差做累加，這種微弱信號(hào)很容易被掩蓋，從而導(dǎo)致對(duì)傳動(dòng)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(chǎn)生的脈沖信號(hào)觸發(fā)計(jì)時(shí)，其測(cè)量精度受傳動(dòng)比和輸入輸出軸的分辨率影響較大，導(dǎo)致測(cè)量設(shè)備的通用性差。從目前來(lái)講，無(wú)論是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，還是通用數(shù)據(jù)采集設(shè)備大多都采用基于等時(shí)采樣的信息獲取方式，這也是現(xiàn)代測(cè)試方法的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。然而在等時(shí)采樣方式下，雖然可以進(jìn)行對(duì)精密回轉(zhuǎn)機(jī)械的傳動(dòng)誤差進(jìn)行測(cè)量，但只有當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)滿(mǎn)足勻速平穩(wěn)運(yùn)行的條件下才能對(duì)傳動(dòng)誤差進(jìn)行頻譜分析，進(jìn)而對(duì)傳動(dòng)誤差的成因進(jìn)行溯源。這種勻速運(yùn)行要求大大限制了傳動(dòng)誤差溯源的應(yīng)用范圍。從目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，尚無(wú)基于等時(shí)間間隔采樣的非勻速傳動(dòng)系統(tǒng)誤差溯源方法的相關(guān)文獻(xiàn)和專(zhuān)利發(fā)布。
從誤差溯源機(jī)理來(lái)講，在等時(shí)采樣下測(cè)得的誤差是傳動(dòng)誤差關(guān)于等時(shí)間間隔序列的函數(shù)，當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)的某個(gè)環(huán)節(jié)上存在缺陷，并且傳動(dòng)系統(tǒng)勻速運(yùn)行時(shí)，這種缺陷在等時(shí)采樣序列中的反映呈現(xiàn)一定的周期性。這時(shí)利用FFT方法就可以對(duì)缺陷的頻率進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而與傳動(dòng)系統(tǒng)的特征頻率進(jìn)行匹配，從而定位故障源，這是等時(shí)采樣下常規(guī)誤差溯源方法的基本原理?？梢?jiàn)，常規(guī)等時(shí)采樣方法對(duì)誤差進(jìn)行溯源的必要條件是傳動(dòng)系統(tǒng)的勻速運(yùn)行。 然而當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，傳動(dòng)誤差序列的周期性特征受到干擾，從而導(dǎo)致頻譜分析方法的失敗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種等時(shí)間間隔采樣下的非均速傳動(dòng)系統(tǒng)誤差溯源方法，該方法能夠?qū)Ψ蔷鶆蜣D(zhuǎn)速下等時(shí)間間隔采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 得出對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)下的等角度采樣結(jié)果，進(jìn)而采用相關(guān)的譜分析方法就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)傳動(dòng)誤差的準(zhǔn)確估計(jì)與溯源，從而不再要求測(cè)試對(duì)象必須為勻速運(yùn)動(dòng)即可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)傳動(dòng)誤差的估計(jì)與溯源。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)解決的本發(fā)明的該種等時(shí)間間隔采樣下的非均速傳動(dòng)系統(tǒng)誤差溯源方法，具體包括以下步驟步驟一傳動(dòng)系統(tǒng)在非勻速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，利用計(jì)數(shù)卡或數(shù)采卡以設(shè)定的采樣時(shí)間間隔同步采集被測(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)輸入和輸出軸的運(yùn)動(dòng)信息，得到原始數(shù)據(jù)為輸入軸和輸出軸的光柵計(jì)數(shù)值；步驟二 將測(cè)得的光柵計(jì)數(shù)值通過(guò)公式(1)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)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(jì)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(yīng)的角位置數(shù)據(jù)；步驟三根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比SR，將輸出軸理論轉(zhuǎn)角和實(shí)際轉(zhuǎn)角進(jìn)行對(duì)比，得到傳動(dòng)誤差ε (η)隨等時(shí)間采樣序列η之間的關(guān)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(shí)，輸出軸編碼器的光柵計(jì)數(shù)值；Pi(Ii)為第η次采樣時(shí)，輸入軸編碼器的光柵計(jì)數(shù)值；步驟四依據(jù)采樣時(shí)間與運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系，重構(gòu)傳動(dòng)誤差與角位置之間的映射，進(jìn)而通過(guò)三次樣條插值方法建立傳動(dòng)誤差與等角度重采樣序列之間的映射關(guān)系；步驟五對(duì)上述等角度重采樣序列進(jìn)行角頻譜分析，并得到傳動(dòng)誤差的角頻率譜圖；步驟六將角頻率譜圖和傳動(dòng)系統(tǒng)的特征頻率進(jìn)行對(duì)比，確定傳動(dòng)誤差源和故障嚴(yán)重程度。對(duì)以上對(duì)步驟四的進(jìn)一步限定為1)首先利用各采樣點(diǎn)處的光柵計(jì)數(shù)值，將傳動(dòng)誤差與等時(shí)間采樣序列之間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為傳動(dòng)誤差與非等間隔角度采樣序列之間的關(guān)系。2)利用三次樣條插值，建立傳動(dòng)誤差與傳動(dòng)角位置之間的函數(shù)關(guān)系。3)根據(jù)傳動(dòng)誤差與傳動(dòng)角位置之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行等角度重采樣，得到傳動(dòng)誤差與等角度重采樣序列之間的映射關(guān)系。本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果a)現(xiàn)有技術(shù)只能在勻速回轉(zhuǎn)工況下才能對(duì)誤差進(jìn)行溯源，而本發(fā)明對(duì)回轉(zhuǎn)速度沒(méi)有要求?？梢詫?shí)現(xiàn)任意轉(zhuǎn)速下的傳動(dòng)誤差溯源，因此，本發(fā)明擴(kuò)大了現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用范圍。b)基于本發(fā)明可以開(kāi)發(fā)通用的傳動(dòng)誤差測(cè)量與溯源設(shè)備，將有效降低現(xiàn)有方法的測(cè)試時(shí)間和費(fèi)用，并提高傳動(dòng)誤差的測(cè)量精度。


圖1為原始數(shù)據(jù)為輸入軸和輸出軸的光柵計(jì)數(shù)值數(shù)據(jù)圖；圖2為實(shí)際傳動(dòng)誤差曲線圖；圖3為采用等時(shí)間間隔采樣得到的傳動(dòng)誤差序列圖；圖4為傳動(dòng)誤差與角位置之間的映射圖；圖5為對(duì)傳動(dòng)誤差與角位置之間的映射進(jìn)行等角度重采樣后得到的序列；圖6為測(cè)量原理與測(cè)試系統(tǒng)；圖7為非均勻轉(zhuǎn)速下的傳動(dòng)誤差分析圖；圖8為傳統(tǒng)的傳動(dòng)誤差分析圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的等時(shí)間間隔采樣下的非均速傳動(dòng)系統(tǒng)誤差溯源方法，包括以下步驟步驟一傳動(dòng)系統(tǒng)在非勻速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，利用計(jì)數(shù)卡或數(shù)采卡以設(shè)定的采樣時(shí)間間隔同步采集被測(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)輸入和輸出軸的運(yùn)動(dòng)信息，得到原始數(shù)據(jù)為輸入軸和輸出軸的光柵計(jì)數(shù)值，如圖1所示。步驟二 將測(cè)得的光柵計(jì)數(shù)值通過(guò)公式(1)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)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(jì)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(yīng)的角位置數(shù)據(jù)；步驟三根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比SR(輸入轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速之比)，將輸出軸理論轉(zhuǎn)角和實(shí)際轉(zhuǎn)角進(jìn)行對(duì)比，得到傳動(dòng)誤差ε (η)隨等時(shí)間采樣序列η之間的關(guān)系，如式(2)所示
權(quán)利要求
1.一種等時(shí)間間隔采樣下的非均速傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)在非勻速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，利用計(jì)數(shù)卡或數(shù)采卡以設(shè)定的采樣時(shí)間間隔同步采集被測(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)輸入和輸出軸的運(yùn)動(dòng)信息，得到的原始數(shù)據(jù)為輸入軸和輸出軸的光柵計(jì)數(shù)值；步驟二 將測(cè)得的光柵計(jì)數(shù)值通過(guò)公式(1)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)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(jì)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(yīng)的角位置數(shù)據(jù)； 步驟三根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比SR，將輸出軸理論轉(zhuǎn)角和實(shí)際轉(zhuǎn)角進(jìn)行對(duì)比，得到傳動(dòng)誤差ε (η)隨等時(shí)間采樣序列η之間的關(guān)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(shí)，輸出軸編碼器的光柵計(jì)數(shù)值； Pi(Ii)為第η次采樣時(shí)，輸入軸編碼器的光柵計(jì)數(shù)值；步驟四依據(jù)采樣時(shí)間與運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系，重構(gòu)傳動(dòng)誤差與角位置之間的映射，進(jìn)而通過(guò)三次樣條插值方法建立傳動(dòng)誤差與等角度重采樣序列之間的映射關(guān)系；步驟五對(duì)上述等角度重采樣序列進(jìn)行角頻譜分析，并得到傳動(dòng)誤差的角頻率譜圖； 步驟六將角頻率譜圖和傳動(dòng)系統(tǒng)的特征頻率進(jìn)行對(duì)比，確定傳動(dòng)誤差源和故障嚴(yán)重程度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等時(shí)間間隔采樣下的非均速傳動(dòng)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(diǎn)處的光柵計(jì)數(shù)值，將傳動(dòng)誤差與等時(shí)間采樣序列之間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為傳動(dòng)誤差與非等間隔角度采樣序列之間的關(guān)系；2)利用三次樣條插值，建立傳動(dòng)誤差與傳動(dòng)角位置之間的函數(shù)關(guān)系；3)根據(jù)傳動(dòng)誤差與傳動(dòng)角位置之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行等角度重采樣，得到傳動(dòng)誤差與等角度重采樣序列之間的映射關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種等時(shí)間間隔采樣下的非均速傳動(dòng)系統(tǒng)誤差溯源方法。在等時(shí)間間隔采樣情況下，傳統(tǒng)的傳動(dòng)誤差溯源方法要求傳動(dòng)系統(tǒng)勻速運(yùn)行，而當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速存在波動(dòng)時(shí)，則無(wú)法對(duì)采樣序列進(jìn)行頻譜分析以確定傳動(dòng)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(zhuǎn)速下的機(jī)床傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)信息數(shù)據(jù)，并基于樣條插值原理，將原有的等時(shí)間采樣序列通過(guò)空間重采樣方法轉(zhuǎn)化為等角度采樣序列，進(jìn)而通過(guò)傳動(dòng)誤差的角頻譜分析方法，確定誤差的來(lái)源和大小，從而解決了非均勻轉(zhuǎn)速下傳動(dòng)誤差的評(píng)估和溯源問(wèn)題。由于本方法可在傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量，并且對(duì)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性沒(méi)有要求，因此，本方法具有更加廣泛的應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)G01M13/02GK102305712SQ20111012942
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者廖與禾, 林京, 王琇峰, 趙明, 雷亞國(guó) 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)