齒距偏差測量中測頭定位的全閉環(huán)控制

王　朝，彭東林，陳錫侯，鄭　永，謝啟河

(重慶理工大學(xué)，機(jī)械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶　400054)

0　引言

齒輪齒距參數(shù)是齒輪加工中的一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)，齒距偏差的大小直接影響齒輪副的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲，振動(dòng)和齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)壽命，由于齒輪形狀復(fù)雜，齒數(shù)多少不一，齒輪齒距偏差的測量比較麻煩[1]。對(duì)于大型齒輪的檢測，尤其是直徑2．5 m以上的超大型齒輪，由于工件體積大、質(zhì)量大、裝夾不便，使其測量精度和測量效率均較低。目前采用較多的是上置式齒輪齒距測量儀。但在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)該儀器存在許多不足之處，如：檢測時(shí)儀器與被測齒輪相對(duì)位置不穩(wěn)定，即定位不準(zhǔn)確。因此，設(shè)計(jì)一套高精度的定位控制系統(tǒng)是十分必要的。

現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)大多數(shù)為開環(huán)或半閉環(huán)控制，這些控制方式對(duì)于傳動(dòng)鏈上的間隙及誤差不能克服或補(bǔ)償，對(duì)于聯(lián)動(dòng)軸之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)精度有所制約。為了獲得更高的控制精度，應(yīng)在最終的控制部分安裝高精度的檢測元件，即實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。這樣控制器可以直接采樣裝在最后一級(jí)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的位置反饋?zhàn)鳛槲恢铆h(huán)，實(shí)現(xiàn)真正的全閉環(huán)位置控制功能，獲得較高的定位精度[2]。文中介紹了一套基于ARM控制器的齒距偏差測量運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在測量過程中可利用光柵尺作為位置反饋元件實(shí)現(xiàn)測頭的精確定位。

1　齒距偏差測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

齒距偏差測量系統(tǒng)主要由三維移動(dòng)滑臺(tái)、時(shí)柵傳感器[3]和雙測頭電感測微儀傳感器組成。測頭在三坐標(biāo)移動(dòng)滑臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的作用下，到達(dá)指定位置通過電感測微儀來測量每個(gè)齒距的偏差。齒輪的精確轉(zhuǎn)位和進(jìn)給系統(tǒng)的精確移動(dòng)需要相互高度協(xié)調(diào)一致，而這種精確轉(zhuǎn)位和高精度的移動(dòng)以及高度的協(xié)調(diào)一致是實(shí)現(xiàn)精確測量的基礎(chǔ)。這種高精度的運(yùn)動(dòng)需要由可靠的閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。圖1為齒距偏差測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　齒距偏差測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2　全閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

齒距偏差測量的運(yùn)動(dòng)控制主要分為2部分：定位裝置的精密定位以及定位裝置移動(dòng)與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的同步。圖2是系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的全閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖。從圖2可以看到測頭的定位裝置三維移動(dòng)滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制主要由驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、光柵尺以及絲杠傳動(dòng)組成。轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制主要由控制器、機(jī)床和時(shí)柵傳感器組成。由于測頭的精確定位對(duì)齒距偏差測量影響較大，該設(shè)計(jì)重點(diǎn)介紹三維移動(dòng)滑臺(tái)的全閉環(huán)運(yùn)動(dòng)定位控制。三維移動(dòng)滑臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)的同步控制設(shè)計(jì)將另文介紹。

圖2　系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的全閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

測頭定位裝置是由3個(gè)一維平臺(tái)搭建而成的三維移動(dòng)滑臺(tái)，圖3為三維移動(dòng)滑臺(tái)三維示意物，圖4為一維平臺(tái)示意圖。

圖3　三維移動(dòng)滑臺(tái)三維示意圖

三維移動(dòng)滑臺(tái)結(jié)構(gòu)采用了步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠、螺母副傳動(dòng)的定位結(jié)構(gòu)。該三維移動(dòng)滑臺(tái)有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、低成本等特點(diǎn)，同時(shí)也解決了高速度、大行程和高精度之間的矛盾。

圖4　一維平臺(tái)示意圖

3　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3．1控制部分采用ARM作為主控制器

系統(tǒng)采用ARMLPC2138 作為主控制器。LPC2138 是基于ARM7內(nèi)核的高性能芯片，除了內(nèi)置串行通信接口外，還內(nèi)置脈寬調(diào)制器，使其對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制變得十分簡單易行[4]。ARM控制器除了有時(shí)鐘電路和穩(wěn)定的供電電源外，還要有一個(gè)復(fù)位邏輯電路，以保證上電后有個(gè)確定的工作狀態(tài)，此外還必須留有JTAG程序仿調(diào)試接口電路。

3．2驅(qū)動(dòng)部分采用步進(jìn)電機(jī)和配套的驅(qū)動(dòng)器

電動(dòng)機(jī)選用23HS3002Z兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，步距角為1．8°。驅(qū)動(dòng)器選用的是SH-20403型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，最大細(xì)分倍數(shù)可達(dá)64倍。驅(qū)動(dòng)器對(duì)輸入的電壓信號(hào)或電流信號(hào)均有要求，因此需要設(shè)計(jì)控制器與驅(qū)動(dòng)器的接口電路。采用三態(tài)輸出的總線收發(fā)器74LS245，將ARM控制器的輸出信號(hào)由3．3 V變?yōu)轵?qū)動(dòng)器需要的5 V，同時(shí)增強(qiáng)了ARM輸出的驅(qū)動(dòng)能力。

3．3反饋部分采用時(shí)柵傳感器和直線光柵尺

轉(zhuǎn)臺(tái)的位置檢測采用的是實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的時(shí)柵傳感器(精度±1″，分辨率0．1″)。它是一種全新原理的位移傳感器，利用時(shí)間測量空間，徹底回避了精密機(jī)械刻線而使加工難度和成本大大降低，具有抗油污粉塵能力強(qiáng)，智能化程度高等特點(diǎn)[3]。

測頭運(yùn)動(dòng)位置檢測采用Renishaw 的非接觸式的直線光柵尺，可靠耐用，具有很高的精度(±1 μm)和分辨率(0．25 μm)。光柵數(shù)據(jù)采集的基本原理是將光柵測量的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過數(shù)字信號(hào)處理電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可讀的位移信號(hào)。光柵輸出的位移信號(hào)為2路相位差90°的方波信號(hào)，通過記錄2路方波信號(hào)上下沿的個(gè)數(shù)來測量實(shí)際的位移變化，并由這2路信號(hào)的瞬時(shí)相位變化測出位移的方向[5]。其中光柵信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)檢測控制電路是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

OPGT_IN模塊中光柵原始信號(hào)是3路差分電信號(hào)(A+、A-，B+、B-，R+、R-)，必須經(jīng)過芯片MAX3093EESE轉(zhuǎn)換成3路單端電信號(hào)(OG_A、OG_B、OG_R)，OG_A 和OG_B是相位差為π/2的2路光柵電信號(hào)，OG_R是清零電信號(hào)。為了與ARM控制器電信號(hào)相匹配，需要通過反相器把Ain、Bin、Rin電信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～3．3 V的邏輯電信號(hào)OGA，OGB，OGR，然后，把這3路邏輯電信號(hào)送到ARM控制器進(jìn)行信號(hào)檢測。光柵信號(hào)轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

4　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4．1系統(tǒng)定位流程

高精度自動(dòng)定位系統(tǒng)流程如圖6所示。首先ARM控制器通過RS232串口從上位機(jī)接收直線位移值，然后接收光柵尺的初始值，再將從上位機(jī)接收的直線位移值折算成步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)，發(fā)脈沖控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)指定角度，完成后ARM控制器接收光柵尺測量結(jié)果的反饋信號(hào)，并與初值比較，計(jì)算出實(shí)際移動(dòng)位移值，再將實(shí)際值與上位機(jī)預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，若一致，則輸出定位完畢信號(hào)，從串口接收上位機(jī)傳來的下一個(gè)位移值；若不一致，再判斷是否超過了設(shè)定值，控制電機(jī)修正。

4．2步進(jìn)電機(jī)的位置控制算法

根據(jù)經(jīng)典控制理論，閉環(huán)定位控制方法可分為單向逼近和雙向逼近。由于系統(tǒng)的定位精度要達(dá)到±1 μm，雙向逼近方式的速度雖然快于單向逼近，但是雙向逼近往往會(huì)帶來回程誤差。同時(shí)，為了克服低速爬行現(xiàn)象等因素，研究采用基于時(shí)間細(xì)分的單向逼近控制算法[5]，圖7為步進(jìn)電機(jī)控制流程圖。

5　試驗(yàn)結(jié)果與分析

三維移動(dòng)滑臺(tái)的定位精度將直接影響測頭的位置變化，因而對(duì)單齒測量的示值穩(wěn)定性、齒輪齒距累積誤差都有影響。由于三維移動(dòng)滑臺(tái)X、Y、Z軸結(jié)構(gòu)相同，行程均為200 mm，Y軸又是測頭的主要移動(dòng)方向，所以，就以Y為例進(jìn)行的直線定位試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的絲桿導(dǎo)程為5 mm和步進(jìn)電機(jī)步距角為1．8°.利用驅(qū)動(dòng)器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行16倍細(xì)分。為了使測頭的定位精度達(dá)到±1 μm，對(duì)原始分辨率為1 μm的光柵尺進(jìn)行四倍細(xì)分以提高其分辨率。

圖5　光柵信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

圖6　高精度定位系統(tǒng)流程圖

圖7　步進(jìn)電機(jī)控制流程圖

圖8　定位誤差曲線/mm

由圖8可以看到，標(biāo)定前的定位誤差為10 μm．與預(yù)期的定位精度±1 μm相差很遠(yuǎn)。經(jīng)分析此誤差主要是由光柵尺及讀數(shù)頭安裝偏差所引起的阿貝誤差。由圖4機(jī)械結(jié)構(gòu)可知，安裝過程中絲杠軸線和光柵尺的軸線偏不可能完全平行，光柵尺讀數(shù)頭運(yùn)動(dòng)軸線和其移動(dòng)軸線會(huì)產(chǎn)生偏擺角，所以系統(tǒng)中存在阿貝誤差。試驗(yàn)中通過激光干涉儀DISTAXL-LM-20B，采用靜態(tài)采點(diǎn)的方式，對(duì)定位精度進(jìn)行標(biāo)定。經(jīng)過線性補(bǔ)償，定位誤差降低到±1 μm．

6　結(jié)論

設(shè)計(jì)了一套基于ARM控制器的全閉環(huán)定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，將采集的光柵尺信號(hào)直接反饋到ARM控制器中，通過控制器的控制算法和軟件程序方便地進(jìn)行最優(yōu)化調(diào)整，在簡化了控制程序的開發(fā)設(shè)計(jì)和硬件安裝的同時(shí)，提高了齒距偏差測量定位的運(yùn)動(dòng)精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘寧，楊雪鋒，齒輪齒距儀的改造及檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)．煤礦機(jī)械，2006，27(3)：493-495．

[2]左龍劍，周慶敏，基于PCI總線的全閉環(huán)交流伺服控制系統(tǒng)．微計(jì)算機(jī)信息(測控自動(dòng)化)，2009，25(4-1)：52-53．

[3]彭東林，劉小康，張興紅，等．高精度時(shí)柵位移傳感器研究．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，41(12)：26-129．

[4]馬忠梅，徐英慧，．ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007．

[5]梁長根，光柵傳感智能位移測量系統(tǒng)．傳感器技術(shù)，2001(3)，12-13．

[6]陳錫侯，陳濤，彭東林，等，基于時(shí)間細(xì)分技術(shù)的高精度自動(dòng)定位控制方法研究．自動(dòng)化儀表，2011，32(4)：26-28．