車臺用角位移傳感器自動分度校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計

賈方文，曹陽

（中國航發(fā)動力股份有限公司，陜西 西安 710021）

0 引言

傳統(tǒng)手動分度頭使用中需要依靠分度齒盤或傳動手輪進行人工分度，角度分度效率低、操作勞動強度大，而且手動瞄準(zhǔn)存在隨機誤差、多次反復(fù)瞄準(zhǔn)會引入反向回程誤差和累積偏差，從而影響精度。目前普遍使用的獨立數(shù)控分度頭的定位誤差大多高于10″（角秒），與手動分度頭的分度精度有差距。受研究經(jīng)費高、市場需求低、高精度角度編碼器大多依賴進口等因素影響，市場上定位誤差為10″以下的高精度分度頭很少。國內(nèi)的高精度數(shù)控分度產(chǎn)品以科研院?？蒲姓n題或?qū)W術(shù)研究以采購為主，數(shù)控產(chǎn)品從理論研究到生產(chǎn)推廣及應(yīng)用均存在遲滯。國外的高精度專用數(shù)控分度頭的分度精度可達3.6″，具有定位精度高、集成度高的特點，但價格昂貴，例如WALTER公司的一套配備液壓系統(tǒng)和專用控制器的TAD型數(shù)控分度頭報價近150萬人民幣。其他進口數(shù)控分度產(chǎn)品多為數(shù)控加工設(shè)備配套產(chǎn)品或集成附件，用于刀具主軸或數(shù)控設(shè)備的擴展第四軸，由專用數(shù)控系統(tǒng)集成控制，價格高昂，且控制系統(tǒng)復(fù)雜、集成度高，需要配套購買液壓系統(tǒng)和專用控制系統(tǒng)等配套附件，不便單獨采購。因此，引進高精度數(shù)控分度頭費用高且存在適應(yīng)性問題，無法滿足一般用途的高精度角度分度計量使用。

為實現(xiàn)分度頭的自動分度和角度測量，在滿足高精度指標(biāo)要求下，本文提出了角度量自動分度控制系統(tǒng)設(shè)計方案，對上海理工大學(xué)研制的SJJF型數(shù)顯手動分度頭（角度分辨力為0.1″，示值誤差為1″）進行數(shù)控化改造。

1 SJJF型數(shù)顯分度頭

SJJF型數(shù)顯分度頭主軸回轉(zhuǎn)精度高，配備了分辨力為0.1″光柵測角數(shù)顯裝置。分度頭主軸上安裝了21600等分刻線的角度度/分值光柵計數(shù)裝置（簡稱“主光柵”，主要部件為刻線圓光柵和指示光柵，角度分辨力為1′，即1角分）和800等分刻線的角度秒值光柵計數(shù)裝置（簡稱“副光柵”，其工作中實際行程3/4周，角度分辨力為0.1″）。通過設(shè)計的彈性測微機構(gòu)可將“主光柵”上任意一個代表1′的光柵刻線間隔的角度量細分放大60倍，轉(zhuǎn)化為“副光柵”60.0″的角度量。

表1 多面棱體與自準(zhǔn)直儀檢驗方法定位示值誤差檢定結(jié)果Tab.1 Verification results of positioning MPEE of polyhedron and auto collimator inspection method

1.1 彈性測微機構(gòu)

彈性測微機構(gòu)［1］是一種由機械細分裝置及彈性鼓裝置等組成的機械測微機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。彈性鋼片材料的切向形變量與外力成正比，端面凸輪旋轉(zhuǎn)通過壓力彈簧對彈性鼓下片施加外力，彈性鋼片扭轉(zhuǎn)形變引起彈性鼓下片作微量轉(zhuǎn)動。設(shè)計具有一定剛性比的彈性鋼片，使端面凸輪轉(zhuǎn)過角度270°（1°為1角度），螺旋面的升程為6 mm，彈性鼓下片帶動指示光柵相對刻線圓光柵作1′的同軸旋轉(zhuǎn)。該彈性測微機構(gòu)將此1′微動量通過端面凸輪機械放大，轉(zhuǎn)換成端面凸輪270°的角度旋轉(zhuǎn)量，從而達到1′角度進一步細分的目的。該型分度頭采用彈性測微機構(gòu)機械細分的方法，角度分辨力達0.1″。

圖1 彈性測微機構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of elastic micrometer

1.2 光柵疊加計數(shù)、信號辨向與分度操作方法

疊加計數(shù)的“主光柵”和“副光柵”光柵計數(shù)裝置的計數(shù)原理相同：由光柵信號裝置產(chǎn)生相位差90°的兩相模擬正弦波信號（計數(shù)信號和辨向信號），經(jīng)整形整流、觸發(fā)門電路處理形成短脈沖信號，分別送到數(shù)顯處理電路中的可逆計數(shù)器和邏輯門電路進行加減計數(shù)和辨向。

“主光柵”的光柵信號數(shù)字化信號處理設(shè)計中，計數(shù)信號電壓幅值為0 V時，計數(shù)光柵的指示光柵與刻線圓光柵位于1/4刻線間隔位置，主光柵處于光柵刻線對準(zhǔn)狀態(tài)，該位置稱為過零點。同步的辨向信號的電壓幅值為負半周期內(nèi)時，計數(shù)信號的過零點為“對零點”，此時可稱為“‘主光柵’光柵對零”（簡稱“光柵對零”）狀態(tài)。為此，設(shè)計了邏輯控制門電路，當(dāng)辨向信號經(jīng)方波整形后電平為正時，門電路關(guān)閉，計數(shù)器停止加減計數(shù)。

在分度頭角度分度操作前，需順時針旋轉(zhuǎn)測微手輪（該手輪由行星減速齒輪機構(gòu)軸聯(lián)接在彈性測微機構(gòu)凸輪軸另一端），通過彈性測微機構(gòu)帶動“主光柵”的指示光柵微轉(zhuǎn)至相對其刻線圓光柵1/4刻線間隔位置（即對零點位置，稱為雙光柵疊加計數(shù)起點位置），此時光柵數(shù)顯表顯示面板上的對零指示燈亮且指針式對零表指零，按動光柵數(shù)顯表清零鍵將角度數(shù)顯清零。角度分度過程中，先逆時針旋轉(zhuǎn)上述測微手輪，“副光柵”同步旋轉(zhuǎn)計數(shù)，直到光柵數(shù)顯表“xxx”秒值數(shù)顯達到分度目標(biāo)秒值；再轉(zhuǎn)動聯(lián)接（蝸輪蝸桿副傳動方式）在分度頭主軸上的分度粗調(diào)手輪進行角度度分值分度，主軸上“主光柵”的刻線圓光柵同步旋轉(zhuǎn)計數(shù)，直到光柵數(shù)顯表的“xxx°xxx′”數(shù)顯值達到分度目標(biāo)度/分值；最后同向轉(zhuǎn)動聯(lián)接（減速齒輪傳動方式）在分度粗調(diào)手輪上的分度細調(diào)手輪，直至對零指示燈再次點亮且指針式對零表指零，完成一個目標(biāo)角度值的分度操作。

2 SJJF型分度頭數(shù)控改造

2.1 數(shù)控改造功能與精度指標(biāo)要求

使用SJJF型分度頭開展某發(fā)動機整機測試車臺用角位移傳感器的角位移量與電壓幅值間線性度、靈敏度等電氣參數(shù)校準(zhǔn)工作。校準(zhǔn)要求角位移傳感器正反向每間隔10°進行角度分度并記錄電壓幅值，單向最少測量11個點位，正反向重復(fù)測量3次，共計66個測量點。每個點位校準(zhǔn)時需要重復(fù)三步操作——對零、分度、再對零，一個完整的校準(zhǔn)過程用時約1.5 h。因測量點較多，存在校準(zhǔn)效率低、操作易出錯和測量結(jié)果一致性差等問題。為解決手動分度頭使用中出現(xiàn)的問題，滿足自動化校準(zhǔn)需求，對SJJF型數(shù)顯分度頭進行自動分度數(shù)控改造，從而實現(xiàn)快速、自動、連續(xù)分度。結(jié)合角位移傳感器校準(zhǔn)精度要求［1］和分度頭原有精度，確立制定分度頭數(shù)字化控制系統(tǒng)的精度設(shè)計指標(biāo)：角度示值分辨力為0.1″，定位誤差為± 4″，回零誤差為± 4″。

2.2 自動分度數(shù)控改造基本思路

為達到上述高精度數(shù)控改造指標(biāo)要求，需保留原影響分度示值精度（主軸回轉(zhuǎn)精度、彈性測微裝置安裝精度和光柵裝置安裝精度）的主要機械結(jié)構(gòu)精度，避免精度損失。傳動裝置的長期使用會造成一定程度的磨損，需重新設(shè)計傳動裝置，并保證與驅(qū)動電機機構(gòu)的適配安裝要求。實現(xiàn)角度的數(shù)字化自動采集、顯示，需采用高采樣頻率的數(shù)字化采集電路對主、副雙光柵裝置輸出的光柵信號進行采集，并通過程序算法實現(xiàn)主、副雙光柵疊加計數(shù)。以光柵裝置作為反饋信號設(shè)計閉環(huán)控制程序算法，實現(xiàn)自動分度閉環(huán)控制，驅(qū)動電機伺服裝置進行快速分度定位。為保證角位移傳感器多次重復(fù)校準(zhǔn)時電氣零點位置的一致性，增加分度頭機械回原點動作，設(shè)計機械回原點程序算法。

2.3 自動分度控制方案

數(shù)控改造的關(guān)鍵是通過硬軟件設(shè)計實現(xiàn)角度自動分度控制，控制方案設(shè)計如下：①分度前，分度頭完成機械回原點動作，彈性測微機構(gòu)回原點；②執(zhí)行光柵對零指令，驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)至“光柵對零”狀態(tài)，計數(shù)器清零，作為分度起點；③將目標(biāo)角度值輸入數(shù)字控制器，由控制器發(fā)出角度秒值置位指令，驅(qū)動彈性測微機構(gòu)凸輪軸旋轉(zhuǎn)，“副光柵”反饋角度秒值量送入控制器，通過程序算法閉環(huán)控制輸出，直至角度秒目標(biāo)值；④由數(shù)字控制器發(fā)出角度度/分值定位指令，驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，“主光柵”反饋角度度/分值量送入控制器，通過程序算法控制輸出，直到達到角度目標(biāo)度-分值；⑤再次執(zhí)行光柵對零指令，驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)定位至“光柵對零”狀態(tài)。

3 基于PLC的控制系統(tǒng)方案

PLC［4］作為專用數(shù)字控制器集成了多路高速脈沖計數(shù)和高速驅(qū)動脈沖輸出功能，可以實現(xiàn)雙光柵角度計數(shù)信號采集以及分度頭主軸、彈性測微機構(gòu)凸輪軸電氣驅(qū)動控制。

3.1 控制系統(tǒng)硬件方案

控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示?；赑LC的控制系統(tǒng)硬件方案設(shè)計為：數(shù)字控制器采用三菱FX型PLC［3］（集成了專用定位控制、脈沖中斷輸出控制指令，采用梯形圖結(jié)構(gòu)化編程，可簡化控制功能軟件設(shè)計），伺服驅(qū)動裝置采用臺達ASD-B2系列低慣量伺服驅(qū)動器搭配ECMA系列電動機；分度頭主軸傳動裝置采用圓弧齒同步帶傳動（高速級，設(shè)計傳動比為1∶4）和蝸輪蝸桿副（低速級，設(shè)計傳動比為1∶62）雙級傳動；彈性測微機構(gòu)凸輪軸傳動裝置采用圓弧齒同步帶（設(shè)計傳動比為1∶3）一級傳動。配備了人機交互控制硬件（Human Ma?chine Interface，HMI），通過與PLC的通訊接口進行角度分度目標(biāo)值設(shè)定、角度模擬顯示，以及PLC閉環(huán)控制算法參量、定位控制參數(shù)的交互調(diào)試。

圖2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成Fig.2 Hardware structure of control system

3.2 自動分度控制流程

以PLC作為控制單元［4］，通過集成的高速脈沖計數(shù)器模塊采集光柵角度計數(shù)信號，并與輸入角度目標(biāo)值比較，由閉環(huán)算法計算角度偏差量作為控制輸出量，由脈沖驅(qū)動輸出模塊輸出控制脈沖，驅(qū)動角度分度定位，控制流程如圖3所示。

圖3 控制程序的流程框圖Fig.3 Flow block diagram of control program

3.3 角度算法程序

采用GX Works2［5］梯形圖編程工具設(shè)計角度算法，運用FX型PLC控制器集成的除法運算指令DIV對高速采集到控制器內(nèi)部計數(shù)器的角度光柵計數(shù)脈沖信號作六十進制進位運算，由MOV數(shù)據(jù)傳送指令將度、分、秒顯示值分別存放在數(shù)字寄存器，再由HMI組態(tài)編程工具設(shè)計可視化交互操作界面，實現(xiàn)角度量模擬顯示、分度操作和控制參數(shù)調(diào)試設(shè)置。

3.4 PID控制算法程序

閉環(huán)控制算法（PID算法）數(shù)學(xué)模型為

式中：r（n）為設(shè)定值；u（n）為PID控制量；y（n）為輸出量；e（n）為輸入偏差；Σ［e（n）+e（n-1）］為偏差和；［e（n）-e（n-1）］為偏差變化；KP，KI，KD分別為比例、積分、微分系數(shù)［6］。

由PLC實現(xiàn)的角度定位PID算法如圖4所示，被控對象為分度頭旋轉(zhuǎn)軸，角度分度目標(biāo)值為輸入量，光柵計數(shù)信號角度反饋量為輸出量。

圖4 PLC實現(xiàn)PID算法框圖Fig.4 Block diagram of PID algorithm implemented by PLC

設(shè)計中分度頭主軸和彈性測微機構(gòu)凸輪軸分度置位均采用PID控制指令。PID指令［7］內(nèi)部控制邏輯為：啟動定時器，減法運算指令求得角度設(shè)定值與角度反饋量的偏差E（n）；當(dāng)偏差E（n）為正時，將偏差乘積分系數(shù)（初值為0），作為積分控制分量；由當(dāng)前偏差量E（n）減去上一個PID采集周期的偏差量E（n-1），得到偏差變化ΔE，并把當(dāng)前E（n）存入寄存器內(nèi)，PID指令運算得角度控制量后輸出。

3.5 “光柵對零”狀態(tài)信號數(shù)字化采集電路設(shè)計

圖5 “光柵對零”狀態(tài)信號采集電路Fig.5 Acquisition circuit of "Zero Grating " signal

辨向信號電壓幅值為正、計數(shù)信號電壓幅值為0時“光柵對零”。計數(shù)信號電壓數(shù)字化采集采用窗口運放比較器［8］進行電路設(shè)計，電路設(shè)計如通過分壓電阻設(shè)置一個0 V電平附近的小電壓閾值比較窗口［UL，UH］，比較計數(shù)信號輸入電壓Ui是否位于兩電壓閾值之間：當(dāng)UiUH，輸出Uo為高電平；當(dāng)UL

圖6 辨向信號電壓幅值采集電路Fig.6 Acquisition circuit of direction signal

3.6 光柵對零中斷停止程序設(shè)計

根據(jù)SJJF型分度頭雙光柵疊加計數(shù)工作原理和自動分度控制設(shè)計方案需求，自動分度前后均需完成“光柵對零”，為此設(shè)計了光柵對零中斷停止程序。PLC控制驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，由脈沖輸入模塊功能動態(tài)捕捉3.5節(jié)數(shù)字化采集設(shè)計輸出的兩項“光柵對零”狀態(tài)信號，通過邏輯運算指令，當(dāng)監(jiān)測光柵“對零狀態(tài)信號”有效時，置位停止標(biāo)志位軟元件［M8146］為1，控制輸出端Y004立即輸出中斷脈沖。PLC控制伺服驅(qū)動器ZCLAMP信號端，驅(qū)動鎖定電機［10］。

4 數(shù)控定位誤差檢驗驗收方法

數(shù)控改造后的車臺用角位移傳感器自動分度校準(zhǔn)系統(tǒng)的部分實物如圖7所示。

圖7 自動分度校準(zhǔn)系統(tǒng)實物Fig.7 Real object of automatic indexing calibration system

參考機械行業(yè)規(guī)范JB/ T11136 - 2011《數(shù)控分度頭》和國家檢定規(guī)程JJG 57 - 1999《光學(xué)、數(shù)顯分度頭檢定規(guī)程》，對數(shù)字化改造分度頭進行分度定位精度評價。分別采用多面棱體和自準(zhǔn)直儀檢驗方法、激光干涉儀檢驗方法對角度定位示值誤差進行檢查。

第一種檢驗方法采用0級23面棱體和0.2″自準(zhǔn)直儀［11］。依次按23面棱體等分角度工作面檢測點位置自動分度，正反轉(zhuǎn)各三個測回，讀取自準(zhǔn)直儀測量角度偏差讀數(shù)a。檢定結(jié)果如表1所示。經(jīng)數(shù)據(jù)處理和測量不確定度評定分析［12］，分度頭角度定位示值誤差為δ= max｛δ1，δ2，δ3｝ = 4.2″，重復(fù)誤差為3.4″。

第二種檢驗方法采用Renishaw XL80激光干涉儀配合RX10回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)組件［14］。測量時，由Re?nishaw Rotary XL［15］測量軟件測得一組測量值，分度頭主軸自0°至360°反向轉(zhuǎn)回至0°、間隔30°自動分度，重復(fù)測量三次。由Renishaw Analysis生成GB/T 17421.2 - 2000分析曲線［16］如圖8所示。通過測量分析曲線可得到正、反向的共計6組檢測定位精度的分布情況，并計算正、反向定位精度A+，A-與重復(fù)精度R+，R-以及合成定位精度A，此時定位示值誤差為0.00123°， 重復(fù)誤差為

圖8 GB/T17421.2-2000分析曲線Fig 8 GB/T 17421.2-2000 analysis curve

0.00102°。

5 結(jié)束語

基于SJJF型數(shù)顯分度頭的角度量自動分度控制系統(tǒng)改造方案在保證原有使用功能、機械精度前提下，通過自動分度控制方案、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、信號數(shù)字化采集電路以及PLC控制程序算法的設(shè)計，實現(xiàn)了任意角度值或角度間隔連續(xù)自動分度，定位示值誤差為4″。采用該方案開展車臺用角位移傳感器自動校準(zhǔn)檢測，可節(jié)約70%時間，滿足其線性度、靈敏度、回程誤差和重復(fù)性等校準(zhǔn)精度要求，同時機械回原點的設(shè)計可提高角位移傳感器周期校準(zhǔn)測量結(jié)果的一致性。分度頭的自動分度和角度測量的實現(xiàn)，在工業(yè)自動化分度儀器制造和角度參數(shù)的批量計量檢測方面具有重要意義。