第３０卷第３期 ２０１３年３月 机 电 工 程 Ｖｏ１．３０ Ｎｏ．３ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｒ．２０ｌ３ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４５５１．２０１３．０３．０１３ 基于伺服电机的齿轮箱传动精度检测系统 马天文，周建军 ，张亚平 （杭州电子科技大学机械工程学院，浙江杭州３１００１８） 摘要：针对传统齿轮箱传动精度检测设备中存在由于安装调整复杂而影响测试精度的问题，提出了一种采用伺服电机检测齿轮箱 传动精度的新方法，直接利用伺服电机集成驱动电机和编码器实现了检测中系统的驱动和转角信号采集，简化了传动精度检测系统 结构。该系统以伺服电机、数据采集卡为硬件基础，在被测齿轮箱的输入轴与输出轴两端分别连接一台伺服电机，用作驱动与负载； 以ＬａｂＶＩＥＷ为软件平台，实现了高频时钟脉冲细分编码器信号的空间脉冲的方法，显示了被测齿轮箱传动精度曲线，对系统的软、 硬件实现方法进行了初步探索，对伺服电机集成的编码器信号进行了采集。研究结果表明，伺服电机编码器信号的采集与复用是可 行的，因此利用伺服电机测量齿轮箱传动误差的方法具有可行性。 关键词：齿轮箱传动精度；测量；伺服电机；细分 中图分类号：ＴＰ３９１；ＴＨ１３２；ＴＨ８６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１—４５５１（２０１３）０３—０３０３—０４ ｒ１ｎ － － ・ ・ ■●■ ｌ ｌ １１１ ・ 。１。ｒａｎｓｍｉＳＳｉ０ｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｔｅｓｔ ｒｌｇ Ｉ－０ｒ ｌｅａｒｂｏｘｅｓ Ｄａｓｅｄ ０ｎ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒｓ ＭＡ Ｔｉａｎ—ｗｅｎ，ＺＨＯＵ Ｊｉａｎ－ｊｕｎ，ＺＨＡＮＧ Ｙａ—ｐｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｄｉａｎｚｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３ １ ００ １ ８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｇｅａｒ ｂｏｘ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ，ａ ｎｏｖｅｌ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｔｅｓｔ ｉｔ ｗｉｔｈ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｉｓ ｎｅｗ ｗａｙ，ｗｈｉｃｈ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ ｔｏ ｉｎｔｅｇｒａｔｅ ａ ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ａｎ ｅｎｅｏｄｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ａｃｔｕａｔｏｒ ａｎｄ ｔｏｒｓｉｏｎ ａｎｇｌｅ，ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｕｃｈ ａｓ ｓｅｎｒ０ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃａｒｄ，ｔｗｏ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒｓ ｗｅｒｅ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ａｓ ｔｈｅ ａｃｔｕａｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏａｄ ａｔ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｓｈａｆｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔｅｄ ｇｅａｒ ｂｏｘ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｌｏｃｋ ｐｕｌｓｅ ｗａｓ ａｄａｐｔｅｄ ｔｏ ｄｉｖｉｄｅ ｔｈｅ ｅｎｃｏｄｅｒ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｐｕｌｓｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＬａｂＶＩＥＷ．Ｔｈｅｎ， ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｃｃｕｒａｔｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔｅｄ ｇｅａｒ ｂｏｘ ｗｅｒｅ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ Ｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｗａｓ ｅｘｐｌｏｒｅｄ ｉｎｉｔｉａｌｌｙ．ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｉｇｎａｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｅｒｖｏ—ａｃｔｕａｔｏｒ ｅｎｃｏｄｅｒ ｗｅｒｅ ａｃｑｕｉｒｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅⅣｏ—ａｃｔｕａｔｏｒ ｅｎｃｏｄｅｒ ｓｉｇｎａｌ ａｒｅ ａｖａｉｌａｂｌｅ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅａｒ ｂｏｘ ｕｓｉｎｇ ａ ｓｅｎｒ０ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｅａｒｂｏｘ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ：ｍｅａｓｕｒｉｎｇ；ｓｅｒ ｏ ｍｏｔｏｒ；ｓｕｂｄｉｖｉｄｅ Ｏ引 言 机械的传动部件是推动机器向高速、高效、节 能、高精度、高可靠性、智能化、轻量化和多样化方向 发展中不可或缺的关键基础单元。而齿轮传动…在 （如航天工业、高精度机床、机器人等领域）对传动机 构的传动精度要求很高。为此研究者需要对传动误 差ＴＥ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｒｒｏｒ）进行精确测量与控制，为在 设计和制造中采取合理的方法补偿、减少传动误差 提供指导，提高关键零部件制造精度，从而提高齿轮 箱产品质量。 传动误差 是指在传动链的输入轴的驱动完全准 所有的机械传动中应用最广，其传动效率高，结构紧 凑，工作可靠、寿命长，传动比稳定。现代高端装备 收稿日期：２０１２—０９—０４ 作者简介：马天文（１９８７一），男，浙江嘉兴人，主要从事智能机电系统与数控技术、检测与控制技术方面的研究 通信联系人：周建军，男，教授，硕士生导师．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｊｊ＠ｈｄｕ．ｅｄｕ．ｃｎ ・ ３０４ ・ 机 电 工 程 第３０卷 确且为刚性的条件下，其输出轴的实际输出角度与理 台用于输出端加载（消除齿轮箱传动中的齿侧间隙， 以实现轮齿问的单面啮合）及获取输出轴端的角位移 脉冲信号。 伺服电机是一种集成了交流电机和编码器的运 论输出角度的差值。 目前国内外对传动精度检测装置的研究已达到 了角秒的精度。资料显示，格里森公司有专门测量齿 轮传动误差装置凤凰５００数控齿轮检验机，测量精度 在±１”；日本小笠原开发的ＭＥＡＴＡ一３型齿轮副传动 精度检测仪其分辨率为１”；国内彭东林老师发明的时 栅位移传感器精度达到±０．８”。 当前齿轮箱检测设备一般是由电机、电机控制模 块、带轮、联轴器、编码器、编码器信号采集调理整形 动控制驱动器，利用伺服放大器控制，能够精确控制 速度和位置。其工作原理是：当伺服电机旋转时，所 带编码器发出对应的运转脉冲，通过脉冲数量与编码 器反馈的脉冲数量进行比较，可精确控制电机的转 动，实现精确的运动控制与定位。伺服电机系统中的 编码器和驱动电机由工厂化集成制造装配，其安装精 模块、加载器、数据处理显示模块等装配在一起而构 成的。由此可见，传统的齿轮箱检测设备结构比较复 杂，且设备各个组成部分的安装误差都对设备的检测 精度有所影响，其中编码器的安装误差对其影响较 大。现有齿轮箱检测设备中的编码器 与被测齿轮箱 之间通过联轴器相联，非专业人员操作时其安装精度 很难保证小于０．０２ ｍｍ。安装调整带来的同轴度误差 直接给传动精度测量带来测试误差，同时由安装调整 带来的同轴度误差过大会产生附加载荷，并产生振 动，降低了运动传递平稳性，从而进一步降低了传动 误差的检测精度。 影响传动精度检测的另一个问题是，无论研究者 采用何种检测角度传感器 ，由于传感器结构和制造 技术的，大都需要采用细分方法 提高检测分辨 率和精度。而现有的方法中，插补细分方法均与传感 器工作转速有关，稳定测量中的传感器转速，是提高 测试精度的关键技术之一。 本研究针对上述的传统的齿轮箱检’？贝４设备的缺 点，将伺服电机 用于齿轮箱传动误差的检测，直接 利用伺服电机中集成的编码器，解决了安装时同轴 度调整问题，减小了安装引入的误差。采用伺服电 机的齿轮箱精度测量系统可简化为４个模块：伺服电 机、伺服电机驱动器、联轴器、采集数据处理显示模 块，结构较传统检测设备简单，且将电机控制、信号 调理等模块集成在一个电气箱内，便于现场维护与 使用。同时利用伺服电机的低频特性好和控制精度 高的优点，研究者能更有效地测量被测齿轮箱在不 同转速下的传动表现，更全面地检测齿轮箱的整体 表现。 １伺服电机齿轮箱传动精度检测系统 基于伺服电机的齿轮箱传动精度检测系统由两 台集成了光电编码器的伺服电机、被测齿轮箱、配套 的伺服放大器、数据采集卡和计算机等构成。一台电 机用于驱动及获取输入轴端的角位移脉冲信号，另一 度可达＜Ｏ．００２ ｍｍ，同轴精度很高，从而提高了设备的 检测精度。伺服电机的集成性还体现在驱动器不仅 集成了编码器信号的调理整形模块，还集成了电机的 控制模块，提高了整个检测装置的集成化程度，使得 整个装置简单地分为３个部分：伺服电机和被测齿轮 箱等组成的机械部分、伺服放大器等控制部分、数据 采集处理显示部分。而且其编码器信号除了用于电 机的闭环控制外，还可单独取用，经相关信号处理，可 用于齿轮箱传动精度检测，实现齿轮箱传动精度检测 中驱动与检测信号的一体化。 系统基本架构如图１所示，驱动主动电机转动，通 过被测齿轮箱将动力传递给负载电机，并通过该伺服 电机加载。集成在两电机上的编码器输出各自转角 信息，反馈到伺服放大器，利用数据采集卡同时从两 个伺服放大器采集编码器的反馈信号，再由计算机和 开发的专用软件进行数据处理，即可实现齿轮箱传动 误差的检测。 图１系统的结构不意图 此外，本研究对编码器的信号进行一定的处理， 如采用倍频、分频、细分等手段，以提高编码器的精 度。彭东林老师提出的利用高频时钟脉冲去细分编 码器信号的空间脉冲的方法，大大提高了检测设备的 测量精度。其原理是：利用高频时钟脉冲 （相对于时 间均匀分布的时间脉冲）对编码器信号（相对于空间 均匀分布的空问脉冲）进行细分计数的方法，该方法 第３期 马天文，等：基于伺服电机的齿轮箱传动精度检测系统 ．３０５． 对硬件要求简单，且在硬件条件有限的情况下，提高 了系统的检测精度，因此该设计选择脉冲细分计数法 实现传动误差的测量。 该方法工作原理 如图２所示，传动误差△咖 的 计算公式为： △咖 ＝（∑Ｐ ＋ ＋ 。一尸。）Ｎ （Ｉ） 式中：∑Ｐ。一一个Ｐ：脉冲周期内，Ｐ 脉冲的整数个 数；Ｐ。一无传动误差时每个样信号所对应的Ｐ 脉冲 个数； ＋ 一。一一个Ｐ：脉冲周期内，Ｐ。脉冲的小数 部分，其中 ＝１－６ ；Ｎ。一一个Ｐ 脉冲的脉冲当 量。 １ 州 Ｉ ｌ ．Ｐ１ ．＿—— ｌ ＩＩＩ ＩＩ ｌｌＩｌｌｌＪＩＩＪＪＩＩｌｌｌＩｌＩＪ ＩＷｉｌｌ ＩＩｌｌｌ … ＩＨＩ￣ＩＵＵｌＩＩＩＵＵＵＩ 。 ∑尸ｌ 图２信号细分原理图 第ｉ个Ｐ 脉冲内Ｐ 脉冲的小数 可以用ｔ。、ｔ 、 ｔ 、ｔ：４个参数采用拉格朗日插值和抛物线插值 等 方式求得。 但这种方法需要假设被测对象在一定时间内作 匀速运动，所以对测量设备中电机运行的平稳性、匀 速性要求较高。在传统的检测设备中，普通电机驱动 检测系统时，运转平稳性较差，且控制不够精确，将直 接影响最终的测量结果。 ２系统软、硬件实现方法 系统的硬件包括动力模块（伺服电机＋伺服电机 控制器）、信号采集模块（采集卡）和计算机；软件采用 美国国家仪器（ＮＩ）公司的ＬａｂＶＩＥＷ，在系统中的作用 是存储采集的信号数据并进行运算处理，然后以图形 化方式显示处理结果。 三菱伺服电机集成的编码器是采用空心轴的方 式安装，其编码器的同轴度误差可忽略，多年工业现 场应用（文献）证明，三菱伺服电机性能稳定，精度 高。其ＭＲ—Ｊ３系列相比ＭＲ—Ｊ２Ｓ系列，其编码器分辨 率更高，电机低速时稳定性更好；Ｊ３系列中ＨＦ系列的 电机拥有比ＨＣ系列更小的体积、更高的转速。本研究 针对精密小功率减速箱，选用的伺服放大器型号为 ＭＲ—Ｊ３—２０Ａ，电机型号为ＨＦ—ＫＰ２３，２００ Ｗ的低惯量 电机。低惯量电机有更好的速度控制性。电机编码器 信号分辨率经过伺服放大器倍频后，最高达到２６２ １４４ 线，输出脉冲的形式为差分形式。 由于伺服电机通过伺服放大器就可以便捷地控 制电机正、反转，测量齿轮箱在正、反转时的传动误差 时，不需要通过软件对编码器的Ａ、Ｂ相脉冲进行方向 辨别，只需采集Ａ相的脉冲得到电机的位置信息，进 行比较后就可得到传动误差。 伺服放大器的实际输出脉冲数可输出的最大实 际脉冲为６５ ５３６ ｎ／ｒ，脉冲当量为１９．７７５”。研究者通 过软件可以设置伺服放大器每转实际输出脉冲数，对 应不同的电机转速，输出脉冲的频率为可调的，从而 提高采集卡内部时基信号对编码器脉冲的细分数，获 得更高的分辨率Ｋ，即： Ｋ＝ ＝Ｔ６０ＯＯＮ￣ （２） 式中：Ⅳ。一高速端转速， 一高频时钟脉冲的频率， ，一减速箱的理论传动比。 采集卡用于编码器信号的采集¨∞以及脉冲的计 数。该设计选用ＮＩ公司的ＰＣＩ一６２２１（３７Ｐｉｎ）采集卡， 其采样速率２５０ ｋＳ／ｓ（多通道），拥有８路差分通道，１６ 路单端模拟输人，１０条Ｉ／０线和２个计数器／定时器，计 数器的时基信号达８０ ＭＨｚ，两个模拟输出通道。本研 究利用采集卡达到８０ ＭＨｚ时基信号，在伺服电机５０ 转速下，分辨率可达０．０１３ ５”。 计算机提供采集卡插槽以及软件环境，在采集卡 的采集过程中，ＬａｂＶＩＥＷｎ¨实现对数据的存储和处 理，得到传动误差值。 针对传动误差△咖 ，在系统检测实现时，具体处 理方法如下： 整数部分∑Ｐ 通过采集卡的模拟通道进行采集， 在电脑中实现软件脉冲计数。在数据采集时，系统首 先判断低速端的前后两个上升沿的数组索引和数组 长度，然后按照这个数组索引以及数组长度去截取高 速端的同样位置和长度的数据，判断这些采样点数中 的脉冲数，就是整数部分∑Ｐ。的值。然后依次计数每 个Ｐ：脉冲周期内的∑Ｐ ，并形成一个数组。 小数部分 ＋６ 利用采集卡两个计数器的功能 （测量两个脉冲边沿间隔和脉冲周期测量），并借助于 整数部分∑Ｐ 实现。计数器１实现测量两个脉冲边 沿的间隔的时钟脉冲计数Ｎ ＝ｔ 一 ；计数器２测量高 速端的时钟脉冲Ｐ 的每个周期所对应的时钟脉冲数 Ｎ２ ＝ｔ：一ｔ。。小数部分为： ６ ｌ＋６ ＝１—６ ＋１＋ （３） ”２ＥｉＥｅ． ・ ３Ｏ６・ 机 电 工 程 第３０卷 其中： ＝图４所示，由图４可知该脉冲波形上升沿和下降沿均 １－３…； 十分陡峭、光滑，且在高、低电平期间均只有幅值很小 ｎ ８ｆＨ＝ＮＩｔ｛Ｎ ￡Ｐ 式中：∑ ∑Ｐ。一当前小数部分所对应的第几个Ｐ。脉 冲数；Ｎｚ一对应于第ｉ的Ｐ：脉冲内的小数分时，对应 Ｐ，脉冲时钟脉冲值。 本研究依此计算每个Ｐ：脉冲周期内Ｐ 脉冲的小 数个数，并形成数组。 的抖动，只要设定合理的阈值，完全可以准确无误地 计数脉冲个数。由此可证明，伺服电机编码器信号的 采集与复用是可行的，因此本研究所提出的利用伺服 电机测量齿轮箱传动误差的方法具有可行性。 ４结束语 本研究设计了一套基于伺服电机的齿轮箱传动 将整数部分和小数部分相加即可得到实际的传 精度检测系统，利用伺服电机的集成性，实现了驱动、 动比数组，将该数组的每个值与理论传动比的值相 减，再与Ｐ 脉冲信号的脉冲当量相乘，即可得到每个 周期的传动误差。 数据整合处理的ＬａｂＶＩＥＷ程序如图３所示。 匝塑亟亚 亟 整数部分 Ｉ 堡型堡垫堡 堕 Ｉ 图３数据处理程序 在对脉冲的计数中，对脉冲上升沿的检测是准确 计数的关键，本研究在ＬａｂＶＩＥＷ中通过采样值与设定 的阈值进行比较以确定上升沿，而为了防止信号中的 杂波等干扰对上升沿的判断，系统要求采集的编码器 信号十分干净。 ３实验结果 该实验所用伺服电机的编码器信号经过伺服驱 动器的调理整形后，采集得到的波形如图４所示。 图４电机编码器信号波形 从伺服电机驱动器上采集的编码器脉冲信号如 角位移信号采集、齿面单向加载的集成，减小了系统 的安装误差。该系统通过控制伺服电机运转速度测 量齿轮箱在不同转速下的传动误差。 本研究所设计的测量系统中所用软件、电机等均 采用商用产品，例如美国ＮＩ软件平台ＬａｂＶＩＥＷ及其 数据采集卡、三菱伺服电机等，便于该系统将来的应 用和推广。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： 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