大行程精密钢带夹轮传动特性测试

叶颖谦，陈青山，高 宏，王艳林

(北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100192)

0 引言

三坐标测量机是工业领域发展最早的数字检测设备之一，它能获取被测工件上的三维信息，从而形成工件的尺寸、形貌、形位、轮廓等全面综合信息，为提升制造水平提供了有利的检测手段[1]。一个国家三坐标测量机的保有量一定程度上代表了该国家制造业水平的高低[2]。传统高精度三坐标测量机的导轨传动主要由静压气浮导轨、三轴传动系统以及电控系统组成[3]。X、Y、Z轴导轨的传动系统特性是制约三坐标测量机精度至关重要的因素，每一轴导轨的运动特性都会影响三坐标测量机的测量不确定度[4]。

目前国内外有不少研究所、高校和企业对气浮导轨及其不同传动方式的传动特性进行测试研究，但大都围绕小行程气浮导轨，且传动方式多为直线电机传动、皮带传动、滚珠丝杠传动等[5-8]。对大行程、以钢带传动为动力传输方式的气浮导轨仅有少部分人进行深入研究，对其传动特性缺乏数据和相关结论。岳石峰等[9]依据刚柔耦合多体动力学理论，建立了长距离钢带滚轴摩擦传动模型，对长距离钢带摩擦传动试验台进行了传动性能测试，传动误差始终保持在0.5%范围内；王浩楠等[10]分析了钢带滚轴摩擦传动的力学特性，得出了有效拉力与钢带松紧边拉力的关系,定性地分析出了不同位置钢带的应力大小。上述两人的研究对象均为钢带滚轴摩擦，其传动特性与皮带滚轴传动相似，已有较为成熟的理论数据基础。冯刚等[11]发明了一种辊轮钢带式摩擦传动行走装置，但未对该装置进行特性测试。

本文针对大行程钢带夹轮传动进行特性测试，补充该传动特性数据。为此设计、搭建了大行程一维气浮导轨钢带夹轮传动系统测试平台，对系统中摩擦夹轮夹紧力以及钢带所受张紧力对传动特性的影响进行测试研究，力图对大行程精密仪器传动系统设计提供参考。

1 测试平台设计与搭建

基于气浮静压原理[12]、摩擦夹持传动原理[13]以及三环(位移环、速度环、电流环)PID控制算法[14]设计大行程一维气浮导轨测试平台。为满足绝对定位精度达到纳米级，计量尺选用分辨率为50 nm的高精度光栅尺。导轨可实现低摩擦、低振动、高精度的平滑运动控制，其结构如图1所示。

图1 测试平台结构设计

控制器通过数据采集卡输出模拟信号至电机驱动器，电机驱动器驱动电机运动；传感器的数据信息通过数据采集卡返回控制器进行记录；测试平台的光栅尺位移信息通过正弦交流计数器返回控制器，作为反馈信息。测试平台控制设计如图2所示。

图2 测试平台控制设计

传动机构主要由摩擦轮组件、张紧装置以及钢带组成。摩擦轮组件的主要作用包括：1)通过主、从动轮挤压产生的形变以及电机的旋转，提供运动所需的摩擦力；2)监测主从动轮对钢带的挤压力，并设置调节螺钉使挤压力可调。传动机构设计如图3所示：主动轮与从动轮固定在底座上，主动轮下方联通一个齿轮，通过齿带与电机轴相连，外部在固定座上固定压力传感器，通过拧紧固定座的螺钉推动压力传感器使从动轮向内挤压，从而使钢带受到主、从动轮的挤压力，电机通过主、从动轮挤压力对钢带产生摩擦力带动滑块行走。压力传感器监测摩擦夹轮对钢带产生的挤压力。

图3 钢带夹轮传动机构设计

张紧装置主要由固定座、正交应力释放件以及拉力传感器组成，其主要作用有：1)固定钢带，通过应力释放带释放钢带因装配误差或者运动带来的额外的正交外应力；2)用于监测钢带所受的张紧力，且通过调节螺钉使钢带张紧力可调。张紧装置结构如图4所示。

图4 机械张紧装置结构

2 钢带夹轮传动系统特性测试

测试实验主要探究系统传动机构中摩擦轮组件对钢带所产生的挤压力与张紧装置对钢带所产生的张紧力变化对传动特性的影响。实验标准参照JJF 1251-2010《坐标定位测量系统校准规范》，对传动系统的绝对定位精度与速度稳定性进行测试。

2.1 测试方案

测试平台滑块空载约90 kg，最大负载为250 kg。经过简单测试，得出滑块与导轨面摩擦系数约为0.2，夹轮和钢带摩擦系数约为0.4，因此需要克服滑块与导轨面的摩擦力约180～500 N，摩擦夹轮组件需要提供450～1250 N摩擦力作为驱动力，即45～125 kg挤压力。在阈值内选择挤压力50～122 kg进行测试实验，差值为72 kg，分5组，每组递增18 kg。

测试平台传动机构中钢带受50 kg左右张紧力时处于张紧状态，钢带无弯曲；拉力传感器最大量程200 kg。因此在阈值内选择张紧力60～160 kg进行测试实验，张紧力差值为100 kg，分5组，每组递增20 kg。

测试具体步骤如下：

1)依照分组改变摩擦夹轮组中的调节螺钉进深以改变夹轮对钢带产生的挤压力；改变右端张紧装置中的调节螺钉进深以改变张紧装置对钢带的张紧力。

2)对装置进行绝对定位精度、速度稳定性特性测试，具体测试方法如下：

定位精度测量方法为量程内单方向选取k段行程，由光栅尺读出位移值，如图5所示。

图5 位移示意

记录进入稳定状态后约300个位移值，根据式(1)求出该次位移的真实值。

(1)

用下一段位移值稳态收敛均值减去这一次稳态收敛均值，根据式(2)求每次运行的实际位移值，根据式(3)求得总行程的平均实际位移值。

(2)

(3)

ΔSk=Skmax-Skmin

(4)

(5)

根据式(6)可得出绝对定位精度Pk,其数值越小则定位精度越高。

(6)

速度稳定性测量方法为在量程内单方向选取k段行程，由光栅尺读出位移值，并对时间进行微分得出速度值，如图6所示。

图6 速度示意

记录进入匀速状态后的速度值，根据式(7)求出速度平均值。

(7)

记录每段行程最大值和最小值，根据式(8)求出k段行程速度收敛区间。

ΔVk=Vkmax-Vkmin

(8)

(9)

根据式(10)得出该段位移速度稳定性Wk。

(10)

2.2 测试数据及处理

根据2.1节测试方案进行测试。测试平台行程总长为1 500 mm，除去头尾预留空间，实际行走1 400 mm。行程分成4段，每段350 mm。钢带受50 kg挤压力和60 kg张紧力时位移速度曲线如图7所示。阶梯曲线为位移曲线，梯形曲线为速度曲线。

图7 钢带受50 kg挤压力和60 kg张紧力时位移速度曲线

2.2.1 绝对定位精度测试

根据2.1节测试方案进行绝对定位精度测试。依据式(6)计算绝对定位精度，其测试结果如表1所示。从表中可明显看出钢带在受相同挤压力条件下，钢带夹轮传动的绝对定位精度整体随着张紧力的增大而提高；在相同张紧力下，随着挤压力的增大，钢带夹轮传动的绝对定位精度并不受影响。

表1 不同压力和拉力下定位精度Pk %

2.2.2 速度稳定性测试

根据2.1节测试方案进行速度稳定性测试。依据式(10)进行速度稳定性计算，其测试结果如表2所示。钢带在受不同压力和拉力条件下，钢带夹轮传动的速度稳定性并无明显变化，无明显规律可循。

表2 不同压力和拉力下速度稳定性 Wk %

3 结束语

为进行大行程精密钢带夹轮传动特性测试，设计了大行程一维气浮导轨钢带夹轮传动测试平台。平台可实现挤压力和张紧力的调节与监测，以及气浮滑块低摩擦、低振动、高精度的平滑移动。

经过绝对定位精度与速度稳定性测试，得出结论：在一定阈值内，大行程钢带夹轮传动系统的绝对定位精度随着张紧力的增加而提高，但并不随挤压力的改变而改变；而速度稳定性不受钢带所受挤压力和张紧力的影响。在本实验中，除了压力和拉力的变化，其他环境并未发生变化，室温保持在20±0.5 ℃，实验室内无明显震动。因此实验及结论可靠。

大行程精密钢带夹轮传动特性测试是国内外为数不多针对钢带夹轮传动系统进行的专项测试，弥补了国内外大行程气浮导轨钢带夹轮传动相应数据的缺乏，同时也为众多需要使用大行程一维气浮导轨的制造与检测设备的传动方式选择提供了有益的参考。