一種齒輪測(cè)量?jī)x測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ①

時(shí) 昊, 富春巖

(1.三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004;2.佳木斯大學(xué) , 黑龍江 佳木斯 154007 )

0 引 言

齒輪是一種在機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用范圍廣、使用率高的基礎(chǔ)零部件。在航空航天、農(nóng)用機(jī)械、運(yùn)輸工具、起重機(jī)械、工廠機(jī)床，甚至在常用的家電領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1]。而齒輪的質(zhì)量又在機(jī)械傳動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中起著決定性的作用，因此，進(jìn)行綜合誤差測(cè)量，并快速判斷齒輪的合格性，對(duì)齒輪進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的齒輪測(cè)量?jī)x可實(shí)現(xiàn)小模數(shù)齒輪的測(cè)量，其測(cè)控系統(tǒng)可完成自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)采集處理、繪制測(cè)量曲線打印測(cè)試報(bào)告等功能。并可對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析處理，形成誤差曲線圖，顯示、并可以以圖表的形式輸出每項(xiàng)結(jié)果的偏差值、所測(cè)量的齒輪精度等級(jí)等。對(duì)最終的數(shù)據(jù)報(bào)告可存取、亦可打印輸出。

1 電氣控制部分硬件系統(tǒng)

儀器電氣控制部分的電氣系統(tǒng)圖如圖1所示。在齒輪測(cè)量?jī)x硬件系統(tǒng)中，根據(jù)用戶需求，主軸(即回轉(zhuǎn)軸)沒(méi)有設(shè)置限位，而其它三個(gè)直線軸，在雙向都加上了光電限位開(kāi)關(guān)，以確保檢測(cè)過(guò)程中零件在一定范圍內(nèi)安全運(yùn)動(dòng)。

2 軟、硬件接口

運(yùn)動(dòng)控制器和A/D轉(zhuǎn)換板是用來(lái)實(shí)現(xiàn)齒輪測(cè)量控制系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)之間交互的接口。

2.1 固高運(yùn)動(dòng)控制器

固高運(yùn)動(dòng)控制器可根據(jù)測(cè)控軟件發(fā)來(lái)的控制命令，它負(fù)責(zé)把模擬狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送給相應(yīng)軸的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將會(huì)按接收到的模擬信號(hào)完成相對(duì)應(yīng)的工作。并且，還會(huì)利用光柵產(chǎn)生的相應(yīng)數(shù)據(jù)，保證測(cè)量工作中數(shù)據(jù)的精度和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器又叫ADC，或A/D轉(zhuǎn)換板。在本系統(tǒng)中，它的功能是將由電感測(cè)頭產(chǎn)生的，與標(biāo)準(zhǔn)量相對(duì)比后處理生成的模擬量，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的離散量。經(jīng)過(guò)模電轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)通過(guò)PCI總線來(lái)讀取，獲取了相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)后，再進(jìn)行當(dāng)量轉(zhuǎn)換，即可獲取測(cè)頭在齒輪表面位移變化的數(shù)據(jù)。這些電感位移數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)和各運(yùn)動(dòng)軸位移的數(shù)字信號(hào)再通過(guò)測(cè)量控制軟件系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)處理，便得到了想要的齒輪測(cè)量偏差數(shù)據(jù)。

2.3 運(yùn)動(dòng)控制器

運(yùn)動(dòng)控制器包括通用輸入/輸出設(shè)備和專用輸入/輸出設(shè)備。操作面板上的指示燈以及功能鍵產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)據(jù)由通用輸入/輸出設(shè)備負(fù)責(zé)。而專用輸入/輸出設(shè)備則負(fù)責(zé)傳遞M,R,Z,T四個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的控制信號(hào)數(shù)據(jù)，可采集各軸狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制各軸的運(yùn)動(dòng)。在各軸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果在某方向限位，指示燈就會(huì)為紅色，否則為綠色。

圖1 電氣系統(tǒng)圖

各個(gè)軸的位移傳感器叫光柵編碼器，光柵編碼器輸入A+,A-,B+,B-四路中兩個(gè)物理量之間的差值，控制器對(duì)這些差值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可得到相對(duì)應(yīng)軸的位置數(shù)據(jù)。編碼器的零位信號(hào)分別設(shè)為C+,C-，當(dāng)傳感器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)零位時(shí)，就會(huì)實(shí)時(shí)地發(fā)出脈沖信號(hào)，這個(gè)脈沖信號(hào)會(huì)由C+和C-傳送到固高運(yùn)動(dòng)控制器當(dāng)中，測(cè)控軟件中相應(yīng)的程序就會(huì)判斷并確定各運(yùn)動(dòng)軸的絕對(duì)零位。幾個(gè)運(yùn)動(dòng)軸中的直線軸，兩側(cè)的極限位置處都設(shè)置有限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)軸移動(dòng)到極限位置時(shí)，限位開(kāi)關(guān)就會(huì)向控制器發(fā)出到達(dá)極限、運(yùn)動(dòng)停止的信號(hào)，而控制器收到相應(yīng)信號(hào)立即停止工作，并發(fā)送出限位燈指示信號(hào)數(shù)據(jù)，隨之，操作面板的指示燈便會(huì)閃亮。如果故障發(fā)生則指示燈閃亮，提醒用戶出現(xiàn)故障。當(dāng)故障清除后，測(cè)控系統(tǒng)軟件部分的相應(yīng)函數(shù)發(fā)出復(fù)位數(shù)據(jù)，控制器控制相應(yīng)部件恢復(fù)工作。

當(dāng)用戶準(zhǔn)備測(cè)量時(shí)，軟件系統(tǒng)相應(yīng)函數(shù)輸出開(kāi)始數(shù)據(jù)，操作面板的開(kāi)始信號(hào)燈亮，用戶可開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)測(cè)量完成，軟件系統(tǒng)相應(yīng)函數(shù)返回停止數(shù)據(jù)，停止信號(hào)燈亮，指示用戶此時(shí)可按下結(jié)束按鈕，結(jié)束檢測(cè)。

在檢測(cè)停止過(guò)程中，若用戶想手動(dòng)操作，可點(diǎn)擊手動(dòng)操作按鈕向軟件發(fā)出手動(dòng)操作申請(qǐng)。軟件收到申請(qǐng)信號(hào)后，發(fā)出手動(dòng)操作可行信號(hào)，系統(tǒng)允許用戶手動(dòng)控制測(cè)控操作，操控臺(tái)上手動(dòng)燈亮。

當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，可立刻按下操作面板上的緊急制動(dòng)鍵，及時(shí)停止各運(yùn)動(dòng)軸電機(jī)正在進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)，并發(fā)出緊急停止的有效信號(hào)到控制器。而此時(shí)系統(tǒng)軟件將會(huì)發(fā)出允許手動(dòng)操作的命令，同時(shí)發(fā)送信號(hào)手動(dòng)操作燈點(diǎn)亮，可進(jìn)行手動(dòng)操作。

圖2 初始化函數(shù)

圖3 數(shù)據(jù)采集函數(shù)

3 齒輪測(cè)控軟件系統(tǒng)

在測(cè)控系統(tǒng)中，通過(guò)控制器采集面板上操作按鍵發(fā)出的各種信號(hào)、狀態(tài)數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)控制下向各軸運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作命令，再通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器獲取測(cè)頭的位移，計(jì)算各測(cè)量項(xiàng)目的偏差值。測(cè)控系統(tǒng)還可以依據(jù)所獲測(cè)頭的位移數(shù)據(jù)來(lái)判斷當(dāng)前的電感狀態(tài)，確定如何對(duì)各軸電機(jī)進(jìn)行怎樣的運(yùn)動(dòng)控制。

齒輪測(cè)量?jī)x測(cè)控系統(tǒng)由底層接口模塊和上層應(yīng)用模塊兩大部分組成。底層接口模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)PCI總線的讀寫，通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中相應(yīng)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制以及對(duì)數(shù)據(jù)的讀取。底層接口模塊的功能包括控制輸入輸出設(shè)備、控制伺服運(yùn)動(dòng)軸數(shù)據(jù)、控制四軸光柵的同步、監(jiān)測(cè)伺服運(yùn)動(dòng)軸狀態(tài)，采集測(cè)頭電感數(shù)據(jù)。上層應(yīng)用模塊則可完成儀器的測(cè)量控制功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪齒廓、螺旋線和齒距的測(cè)控。

4 底層接口詳細(xì)設(shè)計(jì)

底層接口部分在整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)中起到控制的作用，其中包括十余個(gè)函數(shù)：打開(kāi)接口設(shè)備函數(shù)、數(shù)據(jù)采集函數(shù)、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)、置零函數(shù)、手/自動(dòng)控制函數(shù)、電機(jī)狀態(tài)測(cè)控函數(shù)、停止函數(shù)、讀輸入輸出狀態(tài)數(shù)據(jù)函數(shù)、設(shè)置輸入輸出狀態(tài)函數(shù)、關(guān)閉接口設(shè)備函數(shù)等。

1)設(shè)備初始化函數(shù)

在上層測(cè)控系統(tǒng)軟件需要打開(kāi)接口設(shè)備時(shí)，需要調(diào)用設(shè)備初始化函數(shù)，測(cè)試并保證硬件設(shè)備處于用戶所需狀態(tài)。測(cè)控系統(tǒng)軟件控制硬件正常運(yùn)行，是通過(guò)插在PCI插槽中的運(yùn)動(dòng)控制器板卡和數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡這兩個(gè)板卡來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，必須要測(cè)試這兩個(gè)板卡是否能打開(kāi)，如果可以正常打開(kāi)，進(jìn)入工作狀態(tài)。初始化函數(shù)如圖2所示：

2)數(shù)據(jù)采集函數(shù)

數(shù)據(jù)采集函數(shù)用于采集四路光柵和電感的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)傳送至上層測(cè)試軟件，測(cè)試軟件再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中需要設(shè)置相應(yīng)變量存放光柵脈沖值、A/D值，還要采集左、右齒面數(shù)據(jù)作為輸入變量。

設(shè)結(jié)構(gòu)體變量SPt * p，用來(lái)存放采集的光柵脈沖值及A/D值；DIR型變量Z_input作為輸入變量。

數(shù)據(jù)采集函數(shù)如圖3所示：

3)運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)

運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)包括電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制、停止各軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制、電機(jī)狀態(tài)返回以及速度的設(shè)置、加速度的設(shè)置等。其中電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)需要5個(gè)參數(shù)，seepd存放速度輸入值，m,r,z,t分別存放每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸要運(yùn)動(dòng)的距離。要調(diào)用異常處理頭文件中相關(guān)函數(shù)，來(lái)確定相應(yīng)的硬件設(shè)備是否存在故障。再根據(jù)面板中的速度值和seepd的值，控制四軸的運(yùn)動(dòng)，讓相應(yīng)的軸按要求運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置。

4)通用輸入輸出類函數(shù)

通用輸入輸出類函數(shù)包括讀通用輸入/輸出狀態(tài)函數(shù)和設(shè)置通用輸入/輸出狀態(tài)函數(shù)。這里的讀通用輸入/輸出狀態(tài)的函數(shù)，是用來(lái)獲得各輸入、輸出設(shè)備的初始狀態(tài)的。在讀通用輸入/輸出狀態(tài)函數(shù)中，利用變量DevSt來(lái)讀取輸入輸出設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，然后，返回各個(gè)輸出口的狀態(tài)值。在設(shè)置通用輸入輸出狀態(tài)函數(shù)中，將DevSta所對(duì)應(yīng)的通用輸入輸出數(shù)據(jù)值設(shè)置為state值，然后返回true。

5)光柵置零函數(shù)

該函數(shù)的功能是將光柵數(shù)據(jù)初始化，利用它可建立系統(tǒng)絕對(duì)坐標(biāo)系。當(dāng)異常處理頭文件中的相應(yīng)函數(shù)進(jìn)行判斷系統(tǒng)硬件沒(méi)有故障時(shí)，利用多分支語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)M,R,Z,T四軸光柵的清零。

另外，還有手自動(dòng)轉(zhuǎn)換函數(shù)、電機(jī)狀態(tài)函數(shù)和停止各運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)函數(shù)。

5 結(jié) 論

齒輪測(cè)量?jī)x測(cè)量與控制系統(tǒng)軟件部分用VC++6.0編程實(shí)現(xiàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、界面友好，能準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行檢測(cè)，已達(dá)到用戶提出的精度要求，滿足用戶需求。