蘇成志，孟凡一，馬國慶，陳洪印，王德民

（1.長春理工大學(xué) 機電學(xué)院，長春 130022；2.山東省調(diào)水工程技術(shù)研究中心，濟南 250014）

0 引言

復(fù)雜內(nèi)齒輪形貌測量在精密制造領(lǐng)域具有重要的意義，傳統(tǒng)的接觸式測量容易對被測齒輪表面產(chǎn)生不同程度的損傷。隨著激光測量技術(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)實現(xiàn)快速高精度測量成為可能[1,2]。其原理為采用激光三角法測量內(nèi)齒輪表面相對于測量原點的位移，采用光電編碼器（以脈沖計量）作為激光掃描的角度基準(zhǔn)。在使用該原理測量齒輪過程中，出現(xiàn)隨機竄齒現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了齒輪形貌的測量。角度脈沖計數(shù)不準(zhǔn)，破壞了位移量與角度量的對應(yīng)關(guān)系，造成數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系錯誤是出現(xiàn)隨機竄齒的主要原因。在提高脈沖計數(shù)準(zhǔn)確性方面，國內(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數(shù)模塊相結(jié)合的方式來提高脈沖計數(shù)的準(zhǔn)確性，文獻(xiàn)[4]提出了采用多零位信號自動消除大量程光點編碼器計數(shù)累積誤差的方法，文獻(xiàn)[5]提出了采用壓電換能器對計數(shù)脈沖進行整形提高脈沖計數(shù)的準(zhǔn)確性。本文深入分析了脈沖計數(shù)準(zhǔn)確性的影響因素，提出一種相對簡單的提高脈沖計數(shù)準(zhǔn)確性的方法，經(jīng)過實驗驗證，該方法操作簡單和性能可靠,可將脈沖計數(shù)精度提高96.7%，有效地提高光電編碼器的脈沖計數(shù)精度。

1 系統(tǒng)組成及測量原理

復(fù)雜內(nèi)齒輪形貌激光測量脈沖計數(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。測量時，伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機帶動激光位移傳感器相對被測齒輪作旋轉(zhuǎn)運動，測得齒輪表面相對于測量原點的位移并送到數(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（以脈沖計量）并傳送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

圖 1 脈沖計數(shù)與位移量采集系統(tǒng)組成

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

2 影響脈沖準(zhǔn)確計數(shù)的因素

2.1 計數(shù)頻率

本文采用的數(shù)據(jù)采集卡是PCI2394數(shù)字計數(shù)卡，時鐘源為8MHz，而運動控制器轉(zhuǎn)速為1r/min時，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)采集卡的最高計數(shù)頻率。故計數(shù)頻率對脈沖計數(shù)的準(zhǔn)確性不會產(chǎn)生影響。

2.2 電平匹配

本文采用的伺服驅(qū)動器為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)確計數(shù)。

2.3 噪聲和抖動

光電編碼器工作時一般會受兩種因素的影響，即噪聲和抖動。噪聲是當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)時，A 信號應(yīng)該是低電平時，當(dāng)受到噪聲影響時會出現(xiàn)正向跳變沿，如圖2(a)所示。抖動是當(dāng)伺服系統(tǒng)工作時，受外力的影響產(chǎn)生晃動，引起編碼器輸出波形抖動，如圖2(b)所示。 如果不去除噪聲和抖動產(chǎn)生的作用，會引起錯誤計數(shù)，影響角位移的測量精度和控制精度[6]。

圖2 噪聲和抖動波形

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

2.4 脈沖形狀

為了檢驗脈沖波形對脈沖計數(shù)是否有影響，通過示波器觀察不同轉(zhuǎn)速下光電編碼器的輸出波形。如圖3所示為伺服電機在2r/min時光電編碼器輸出的單端信號波形。

圖3 2r/min 單端信號波形

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。

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

3 改進方案

改進后的方案如圖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）因信號頻率相對來不說高，且RC濾波電路結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾性強，有較好的低頻特性，并且選用標(biāo)準(zhǔn)的阻容元件即可實現(xiàn)，采用一階RC低通濾波電路來消除噪聲和高頻抖動的影響，經(jīng)實驗，取R=1000Ω，C=22PF時濾波效果最佳。3）采用26LS32芯片對光電編碼器輸出脈沖波形進行整形，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，這樣外部干擾信號便被屏蔽層導(dǎo)入大地，避免干擾信號進入內(nèi)層導(dǎo)體干擾同時降低傳輸信號的損耗。

4 實驗與分析

為了驗證改進方案的有效性，在不同轉(zhuǎn)速下，進行了光電編碼器的輸出波形測量。如圖5所示為伺服電機在2r/min時，光電編碼器輸出的單端脈沖信號波形。

圖4 解決方案原理圖

圖5 2r/min單端信號波形

從圖5上可知：采用設(shè)計的方案對光電編碼器輸出脈沖進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影響，且脈沖波形形狀更趨于理想狀態(tài)。改進前后的脈沖計數(shù)結(jié)果如表1 所示。

表1 改進前試驗結(jié)果

分析表1數(shù)據(jù)可知：改進前，實際采集數(shù)據(jù)個數(shù)與理論采樣數(shù)據(jù)個數(shù)誤差為0.000484%。改進后，實際采集數(shù)據(jù)個數(shù)與理論采集數(shù)據(jù)個數(shù)誤差為0.00001578%，比改進前提高了96.7%，實現(xiàn)了實際采集數(shù)據(jù)個數(shù)與理論采集數(shù)據(jù)個數(shù)的精確匹配。

5 結(jié)論

分析了影響脈沖計數(shù)準(zhǔn)確性的各因素，設(shè)計了一種相對簡單的脈沖計數(shù)改進方案，經(jīng)試驗驗證：

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

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

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