脈沖計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性研究

蘇成志，孟凡一，馬國(guó)慶，陳洪印，王德民

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.山東省調(diào)水工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250014）

0 引言

復(fù)雜內(nèi)齒輪形貌測(cè)量在精密制造領(lǐng)域具有重要的意義，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量容易對(duì)被測(cè)齒輪表面產(chǎn)生不同程度的損傷。隨著激光測(cè)量技術(shù)的日益成熟，復(fù)雜內(nèi)齒輪形貌采用激光連續(xù)掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速高精度測(cè)量成為可能[1,2]。其原理為采用激光三角法測(cè)量?jī)?nèi)齒輪表面相對(duì)于測(cè)量原點(diǎn)的位移，采用光電編碼器（以脈沖計(jì)量）作為激光掃描的角度基準(zhǔn)。在使用該原理測(cè)量齒輪過(guò)程中，出現(xiàn)隨機(jī)竄齒現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了齒輪形貌的測(cè)量。角度脈沖計(jì)數(shù)不準(zhǔn)，破壞了位移量與角度量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，造成數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系錯(cuò)誤是出現(xiàn)隨機(jī)竄齒的主要原因。在提高脈沖計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量工作。文獻(xiàn)[3]提出利用光電編碼器和高速計(jì)數(shù)模塊相結(jié)合的方式來(lái)提高脈沖計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性，文獻(xiàn)[4]提出了采用多零位信號(hào)自動(dòng)消除大量程光點(diǎn)編碼器計(jì)數(shù)累積誤差的方法，文獻(xiàn)[5]提出了采用壓電換能器對(duì)計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行整形提高脈沖計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。本文深入分析了脈沖計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性的影響因素，提出一種相對(duì)簡(jiǎn)單的提高脈沖計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性的方法，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法操作簡(jiǎn)單和性能可靠,可將脈沖計(jì)數(shù)精度提高96.7%，有效地提高光電編碼器的脈沖計(jì)數(shù)精度。

1 系統(tǒng)組成及測(cè)量原理

復(fù)雜內(nèi)齒輪形貌激光測(cè)量脈沖計(jì)數(shù)與位移量采集系統(tǒng)組成如圖1 所示。該系統(tǒng)由兩部分組成：1）位移量采集部分，主要包括激光位移傳感器；2）角度量采集部分，主要包括光電編碼器和數(shù)據(jù)采集卡。測(cè)量時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)激光位移傳感器相對(duì)被測(cè)齒輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，測(cè)得齒輪表面相對(duì)于測(cè)量原點(diǎn)的位移并送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集卡從光電編碼器中讀取激光掃描裝置當(dāng)前角度（以脈沖計(jì)量）并傳送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

圖 1 脈沖計(jì)數(shù)與位移量采集系統(tǒng)組成

所有截面掃描測(cè)量結(jié)束，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，獲得齒輪各種參數(shù)。為了消除隨機(jī)竄齒現(xiàn)象，在測(cè)量過(guò)程中，激光掃描裝置測(cè)得的位移量與光電編碼器測(cè)得的角度量必須嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，否則，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)竄齒現(xiàn)象，影響測(cè)量精度。

2 影響脈沖準(zhǔn)確計(jì)數(shù)的因素

2.1 計(jì)數(shù)頻率

本文采用的數(shù)據(jù)采集卡是PCI2394數(shù)字計(jì)數(shù)卡，時(shí)鐘源為8MHz，而運(yùn)動(dòng)控制器轉(zhuǎn)速為1r/min時(shí)，脈沖頻率為0.05MHz，轉(zhuǎn)速為3r/min，脈沖頻率為0.167MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)采集卡的最高計(jì)數(shù)頻率。故計(jì)數(shù)頻率對(duì)脈沖計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性不會(huì)產(chǎn)生影響。

2.2 電平匹配

本文采用的伺服驅(qū)動(dòng)器為Copley Accelnet Micro Panel ACJ-055-18，光電編碼器為RENISHAW Dsi圓光柵。伺服驅(qū)動(dòng)器給光電編碼器提供5V ，400mA的電源，但RENISHAW的圓光柵要求的輸入電流為1A，這會(huì)造成伺服控制器與光電編碼器之間電平不匹配，影響脈沖的準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。

2.3 噪聲和抖動(dòng)

光電編碼器工作時(shí)一般會(huì)受兩種因素的影響，即噪聲和抖動(dòng)。噪聲是當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)，A 信號(hào)應(yīng)該是低電平時(shí)，當(dāng)受到噪聲影響時(shí)會(huì)出現(xiàn)正向跳變沿，如圖2(a)所示。抖動(dòng)是當(dāng)伺服系統(tǒng)工作時(shí)，受外力的影響產(chǎn)生晃動(dòng)，引起編碼器輸出波形抖動(dòng)，如圖2(b)所示。 如果不去除噪聲和抖動(dòng)產(chǎn)生的作用，會(huì)引起錯(cuò)誤計(jì)數(shù)，影響角位移的測(cè)量精度和控制精度[6]。

圖2 噪聲和抖動(dòng)波形

另外，受技術(shù)水平的限制，當(dāng)光電編碼器經(jīng)過(guò)較大倍數(shù)的細(xì)分時(shí)，輸出信號(hào)中會(huì)產(chǎn)生高頻抖動(dòng)，導(dǎo)致電脈沖計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確，即在光電編碼器靜止或是高速換相時(shí)容易引起脈沖計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確[7]。

2.4 脈沖形狀

為了檢驗(yàn)脈沖波形對(duì)脈沖計(jì)數(shù)是否有影響，通過(guò)示波器觀察不同轉(zhuǎn)速下光電編碼器的輸出波形。如圖3所示為伺服電機(jī)在2r/min時(shí)光電編碼器輸出的單端信號(hào)波形。

圖3 2r/min 單端信號(hào)波形

從波形圖上可以看到，光電編碼器的輸出脈沖峰峰值為9.8V，受噪聲和高頻抖動(dòng)的影響非常嚴(yán)重，脈沖波形疊加有噪聲，且脈沖的上升沿和下降沿伴有振蕩，形狀質(zhì)量非常不好。

在脈沖計(jì)數(shù)過(guò)程中，這種脈沖波形上升沿和下降沿的振蕩會(huì)直接影響數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)數(shù)，導(dǎo)致脈沖計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確。

3 改進(jìn)方案

改進(jìn)后的方案如圖4所示。1）采用外置5V電源給光電編碼器供電，使其達(dá)到光電編碼器的電壓要求；2）因信號(hào)頻率相對(duì)來(lái)不說(shuō)高，且RC濾波電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾性強(qiáng)，有較好的低頻特性，并且選用標(biāo)準(zhǔn)的阻容元件即可實(shí)現(xiàn)，采用一階RC低通濾波電路來(lái)消除噪聲和高頻抖動(dòng)的影響，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，取R=1000Ω，C=22PF時(shí)濾波效果最佳。3）采用26LS32芯片對(duì)光電編碼器輸出脈沖波形進(jìn)行整形，芯片內(nèi)部集成有施密特觸發(fā)器，能將邊沿變化緩慢的脈沖波形整形為邊沿陡峭的矩形脈沖。4）在信號(hào)線外部接有屏蔽線，且將屏蔽線上包裹的屏蔽層一端接地，這樣外部干擾信號(hào)便被屏蔽層導(dǎo)入大地，避免干擾信號(hào)進(jìn)入內(nèi)層導(dǎo)體干擾同時(shí)降低傳輸信號(hào)的損耗。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性，在不同轉(zhuǎn)速下，進(jìn)行了光電編碼器的輸出波形測(cè)量。如圖5所示為伺服電機(jī)在2r/min時(shí)，光電編碼器輸出的單端脈沖信號(hào)波形。

圖4 解決方案原理圖

圖5 2r/min單端信號(hào)波形

從圖5上可知：采用設(shè)計(jì)的方案對(duì)光電編碼器輸出脈沖進(jìn)行電平匹配和濾波整形后，輸出脈沖峰峰值為3.8V，大大消除了噪聲和高頻抖動(dòng)影響，且脈沖波形形狀更趨于理想狀態(tài)。改進(jìn)前后的脈沖計(jì)數(shù)結(jié)果如表1 所示。

表1 改進(jìn)前試驗(yàn)結(jié)果

分析表1數(shù)據(jù)可知：改進(jìn)前，實(shí)際采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與理論采樣數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)誤差為0.000484%。改進(jìn)后，實(shí)際采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與理論采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)誤差為0.00001578%，比改進(jìn)前提高了96.7%，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與理論采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的精確匹配。

5 結(jié)論

分析了影響脈沖計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性的各因素，設(shè)計(jì)了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的脈沖計(jì)數(shù)改進(jìn)方案，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證：

1）在復(fù)雜內(nèi)齒輪測(cè)量系統(tǒng)中，噪聲和脈沖形狀是影響脈沖計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性的主要因素；

2）采用本文提出的濾波整形方案，將脈沖計(jì)數(shù)精度提高了96.7%，有效的降低了復(fù)雜內(nèi)齒輪檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的隨機(jī)竄齒問題。

[1] 金國(guó)藩, 李景鎮(zhèn). 激光測(cè)量學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社,1998.

[2] 朱萬(wàn)彬. 激光位移傳感器在物體表面形狀測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 光機(jī)電信息, 2010, 27(10): 70-72.

[3] 蔡長(zhǎng)青, 張凱. 高速計(jì)數(shù)模塊和光柵尺在高精度加工中的應(yīng)用[J]. 汽車技術(shù), 2004, (1): 30-31.

[4] 張勇, 王選擇, 郭桂珍. 一種提高光柵尺測(cè)量精度的有效方法[J]. 湖北工學(xué)院學(xué)報(bào). 2002(04): 99-101.

[5] Ikuo Murai, Teruko Sawamura.Pulse shaping circuit for active counting of superheated emulsion. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research. Section A,Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2005, 547(2/3).

[6] 蔣晶, 蔣東方, 高航. 高可靠性增量式光電編碼器接口電路設(shè)計(jì)[J]. 測(cè)控技術(shù), 2009, 28(2): 1-4.

[7] 蔣連鳳. 光柵數(shù)字信號(hào)采集技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)春: 中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所機(jī)械電子工程專業(yè),2010.

[8] 孫福清, 何凱, 王治森. 手搖脈沖發(fā)生器鑒相及脈沖計(jì)數(shù)的軟件實(shí)現(xiàn)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化. 2001, (10).