齒輪箱傳動誤差的高精度檢測系統(tǒng)

徐桂敏，王改芳，楊正祥

(1.湖北第二師范學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430205；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)自動化學(xué)院信息技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，湖北武漢 430074；3.武漢交通職業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院，湖北武漢 430065)

0 引言

齒輪傳動系統(tǒng)應(yīng)用在各行各業(yè)，隨著工業(yè)的進(jìn)步對制造業(yè)提出來更高的要求，齒輪制造、齒輪箱裝配、材料形變等都會造成齒輪誤差。傳動誤差的檢測有光電方法、慣性方法等，本系統(tǒng)采用精度比較高的絕對式位移傳感器檢測齒輪轉(zhuǎn)動，并利用脈沖擴(kuò)寬電路接收高速脈沖信號，讀取脈沖并利用誤差程序補(bǔ)償齒輪圈數(shù)。

1 檢測原理

絕對式位移傳感器是利用電磁學(xué)將動測頭和定測頭的運(yùn)動坐標(biāo)變?yōu)槲灰频臏y量系統(tǒng)[1]，具體檢測原理如圖1所示。位移坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度為360°，在齒輪不轉(zhuǎn)的中心軸位置安裝1個定測頭，在轉(zhuǎn)動的齒輪位置安裝1個動測頭，2個測頭要求都垂直于磁場[2]，隨著齒輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，動定測頭之間會產(chǎn)生角度，角度不同對應(yīng)不同的電勢能，利用電勢能和初級相位就可以實(shí)現(xiàn)脈沖，對脈沖計(jì)算并補(bǔ)償后就可以計(jì)算出齒輪數(shù)及傳動比。

圖1 絕對式位移傳感器示意圖

2 傳動誤差檢測硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

計(jì)算齒輪的傳動誤差首先要測量一個準(zhǔn)確的齒輪比，測量齒輪比需要高精度的脈沖檢測電路，具體包括輸入整流隔離電路、時柵角位移分頻器、高速脈沖展寬器電路等，輸入整流隔離電路可以把交流信號變?yōu)槊}沖信號[3]，時柵角位移分頻器可以細(xì)分角度脈沖提高精度，高速脈沖展寬器電路可以把脈沖高電平信號時間延長提高信號穩(wěn)定性。

2.1 輸入整流隔離電路

輸入整流隔離電路可以實(shí)現(xiàn)交流信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號，實(shí)現(xiàn)此功能有兩種方案，一種是輸入全橋整流，一種是過零點(diǎn)檢測，全橋整流電路比較復(fù)雜，可靠性也不如過零點(diǎn)電路[4]。過零點(diǎn)電路是當(dāng)交流信號經(jīng)過光耦隔離電路時，會產(chǎn)生正負(fù)脈沖信號檢測從而可以作為開關(guān)脈沖檢測。具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示，過零檢測電路需要+5 V電源，由于L和N_IN為交流正弦波，大部分電壓加在功率電阻R468和分流電阻R469上，由于光耦TLP160上的電壓太小，此處忽略不計(jì)。正弦波為正向時光耦正向?qū)╗5]，光耦發(fā)送一個高電平信號，輸出接口部分分流電阻R467阻值4.7 kΩ，限流電阻R466阻值為1 kΩ，雙向光耦為選用芯片TLP160，整個電路的響應(yīng)速度為20 ms。

圖2 輸入整流隔離電路

2.2 時柵角位移分頻器

為保證齒輪高速轉(zhuǎn)動時的精度，需要對時柵角位移傳感器輸出信號進(jìn)行分頻，時鐘信號為80 MHz的高頻信號，結(jié)合圖3可以看出，64位計(jì)數(shù)器可以測量高轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)動角度，分頻器中的異或門可以用來獲取傳感器中的脈沖寬度[6]，脈沖寬度的判斷為邊沿觸發(fā)模式，上升沿為觸發(fā)信號，下降沿為結(jié)束信號，最后計(jì)數(shù)器把脈沖結(jié)果發(fā)送給輸入輸出模塊。

圖3 時柵角位移分頻器

2.3 高速脈沖展寬器電路

高速脈沖狀態(tài)下，傳感器輸出信號頻率高且存在不穩(wěn)定的狀態(tài)，經(jīng)常需要脈沖展寬電路來確保信號穩(wěn)定，高速脈沖展寬器電路具體電路如圖4所示。2個比較器組成1個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，可以輸出1個100 ns脈寬的PWM信號，比較器TLC6752A起到限制觸發(fā)作用，比較器TLC6751B起到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)作用。比較器TLC6752A施加了一個11 mV的偏置電壓，可以消除比較器偏差和系統(tǒng)誤差[7]，電路中R472和C383起到定時器作用，系統(tǒng)上電后電容器C383開始充電，在100 ns后OUT_pluse變?yōu)榈碗娖?，從這時開始新脈沖會重新開啟定時模式[8]，如果輸出信號頻率或脈寬需要調(diào)整，電容器可以增加電容值。

圖4 高速脈沖展寬器電路

3 傳動誤差檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

齒輪箱傳動系統(tǒng)采集信號時需要用到軟件配置，軟件配置部分以數(shù)據(jù)采集為主，主要是保證采集數(shù)據(jù)的有效性，采集完數(shù)據(jù)后還需要根據(jù)實(shí)際動態(tài)誤差計(jì)算齒輪數(shù)和傳動比[9]，最終校準(zhǔn)后的齒輪數(shù)及傳動比傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示。

3.1 數(shù)據(jù)采集軟件

數(shù)據(jù)采集部分的軟件配置以下位機(jī)為主，系統(tǒng)上電復(fù)位后MCU初始化部分參數(shù)設(shè)置，其中包括串口、中斷和計(jì)數(shù)器等方式，除此之外的分頻及計(jì)數(shù)器已經(jīng)在硬件部分表述清楚，具體軟件配置過程見圖5。系統(tǒng)上電后下位機(jī)先要進(jìn)行MCU初始化[10]，包括啟動時鐘、系統(tǒng)自檢等功能，然后設(shè)置串口通訊的波特率和接收發(fā)送寄存器，同時打開中斷寄存器并開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器判斷脈沖邊沿并觸發(fā)后初始化和復(fù)位FIFO，然后開始檢測齒輪轉(zhuǎn)速。

圖5 數(shù)據(jù)采集程序

3.2 齒輪箱傳動誤差動態(tài)檢測程序

齒輪轉(zhuǎn)動過程中會有振動產(chǎn)生，信號會產(chǎn)生白噪聲等誤差，傳感器也會出現(xiàn)丟失脈沖的現(xiàn)象，為了保證傳動數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要把脈沖信號分開檢測，這樣才能保證輸入信號的準(zhǔn)確度[11]，具體檢測程序見圖6。檢測輸入脈沖信號后，先判斷是高速脈沖還是低速脈沖，高低速脈沖分別進(jìn)入不同的輸入檢測通道，對于振蕩信號要先用閾值濾波，確保信號穩(wěn)定后再讀取到數(shù)組中，數(shù)組補(bǔ)償完后再計(jì)算傳動誤差并上傳實(shí)際齒輪傳動比。

圖6 齒輪箱傳動誤差動態(tài)檢測程序

4 齒輪箱傳動誤差檢測試驗(yàn)

4.1 輸入采樣信號

為驗(yàn)證傳動誤差的可靠性和精度，設(shè)計(jì)傳動誤差的試驗(yàn)驗(yàn)證平臺，具體試驗(yàn)設(shè)置的連接關(guān)系見圖7。伺服電機(jī)為低扭矩轉(zhuǎn)速電機(jī)，減速箱為傳動裝置[12]，為保證傳動系統(tǒng)精度采用精密同軸連接器驗(yàn)證齒輪箱傳動系統(tǒng)。為驗(yàn)證系統(tǒng)精度采集高速輸入脈沖，具體結(jié)果見圖8，脈沖為4 V的正負(fù)電壓信號，在高低電平部分有干擾信號，主要是數(shù)據(jù)采集部分與伺服電機(jī)的地線連在一起，噪聲并不影響輸入脈沖信號。

圖8 高速輸入脈沖信號

圖7 試驗(yàn)平臺連接框圖

4.2 額定負(fù)載下試驗(yàn)分析

在額定負(fù)載67 N下，利用90∶1減速箱的實(shí)際傳動誤差檢測，在高速模式下測試傳動誤差曲線的時域信號，結(jié)果如圖9所示。驗(yàn)證測試系統(tǒng)的可行性，結(jié)果表明周期誤差曲線中弧度傳動誤差的最大值為0.456 3′，最小值為-0.734 5′，誤差波動在電機(jī)啟動瞬間比較大，隨著轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后弧度誤差也大幅度降低，可以滿足傳動系統(tǒng)高精度檢測的要求。

圖9 額定負(fù)載下傳動誤差曲線

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種齒輪箱傳動誤差的高精度檢測系統(tǒng)，采用絕對式位移傳感器檢測位移，首先分析絕對式位移傳感器的原理，然后對輸入整流隔離電路、時柵角位移分頻器和高速脈沖展寬器電路進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，開發(fā)數(shù)據(jù)采集軟件和齒輪箱傳動誤差動態(tài)檢測程序，利用90∶1的減速機(jī)的實(shí)際傳動誤差檢測驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，結(jié)果表明周期誤差曲線中傳動誤差的最大值為0.456 3′，最小值為-0.734 5′。