王　朝，彭東林，陳錫侯，鄭　永，謝啟河

(重慶理工大學，機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，時柵傳感及先進檢測技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶　400054)

0　引言

齒輪齒距參數(shù)是齒輪加工中的一個重要質(zhì)量指標，齒距偏差的大小直接影響齒輪副的運轉(zhuǎn)噪聲，振動和齒輪運轉(zhuǎn)壽命，由于齒輪形狀復雜，齒數(shù)多少不一，齒輪齒距偏差的測量比較麻煩[1]。對于大型齒輪的檢測，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。但在實際使用中發(fā)現(xiàn)該儀器存在許多不足之處，如：檢測時儀器與被測齒輪相對位置不穩(wěn)定，即定位不準確。因此，設計一套高精度的定位控制系統(tǒng)是十分必要的。

現(xiàn)有的運動控制系統(tǒng)大多數(shù)為開環(huán)或半閉環(huán)控制，這些控制方式對于傳動鏈上的間隙及誤差不能克服或補償，對于聯(lián)動軸之間的協(xié)調(diào)運動精度有所制約。為了獲得更高的控制精度，應在最終的控制部分安裝高精度的檢測元件，即實現(xiàn)全閉環(huán)控制。這樣控制器可以直接采樣裝在最后一級機械運動部件上的位置反饋作為位置環(huán)，實現(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動的閉環(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)設計

齒距偏差測量系統(tǒng)主要由三維移動滑臺、時柵傳感器[3]和雙測頭電感測微儀傳感器組成。測頭在三坐標移動滑臺進給系統(tǒng)的作用下，到達指定位置通過電感測微儀來測量每個齒距的偏差。齒輪的精確轉(zhuǎn)位和進給系統(tǒng)的精確移動需要相互高度協(xié)調(diào)一致，而這種精確轉(zhuǎn)位和高精度的移動以及高度的協(xié)調(diào)一致是實現(xiàn)精確測量的基礎。這種高精度的運動需要由可靠的閉環(huán)系統(tǒng)設計來實現(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)運動控制系統(tǒng)設計

齒距偏差測量的運動控制主要分為2部分：定位裝置的精密定位以及定位裝置移動與轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的同步。圖2是系統(tǒng)運動控制的全閉環(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滑臺的運動控制主要由驅(qū)動器、步進電機、光柵尺以及絲杠傳動組成。轉(zhuǎn)臺的運動控制主要由控制器、機床和時柵傳感器組成。由于測頭的精確定位對齒距偏差測量影響較大，該設計重點介紹三維移動滑臺的全閉環(huán)運動定位控制。三維移動滑臺與轉(zhuǎn)臺的同步控制設計將另文介紹。

圖2　系統(tǒng)運動控制的全閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

測頭定位裝置是由3個一維平臺搭建而成的三維移動滑臺，圖3為三維移動滑臺三維示意物，圖4為一維平臺示意圖。

圖3　三維移動滑臺三維示意圖

三維移動滑臺結(jié)構(gòu)采用了步進電機直接驅(qū)動滾珠絲杠、螺母副傳動的定位結(jié)構(gòu)。該三維移動滑臺有結(jié)構(gòu)簡單、響應快、低成本等特點，同時也解決了高速度、大行程和高精度之間的矛盾。

圖4　一維平臺示意圖

3　運動控制系統(tǒng)硬件設計

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，使其對步進電動機的控制變得十分簡單易行[4]。ARM控制器除了有時鐘電路和穩(wěn)定的供電電源外，還要有一個復位邏輯電路，以保證上電后有個確定的工作狀態(tài)，此外還必須留有JTAG程序仿調(diào)試接口電路。

3．2驅(qū)動部分采用步進電機和配套的驅(qū)動器

電動機選用23HS3002Z兩相混合式步進電動機，步距角為1．8°。驅(qū)動器選用的是SH-20403型兩相混合式步進電機細分驅(qū)動器，最大細分倍數(shù)可達64倍。驅(qū)動器對輸入的電壓信號或電流信號均有要求，因此需要設計控制器與驅(qū)動器的接口電路。采用三態(tài)輸出的總線收發(fā)器74LS245，將ARM控制器的輸出信號由3．3 V變?yōu)轵?qū)動器需要的5 V，同時增強了ARM輸出的驅(qū)動能力。

3．3反饋部分采用時柵傳感器和直線光柵尺

轉(zhuǎn)臺的位置檢測采用的是實驗室自主研發(fā)的時柵傳感器(精度±1″，分辨率0．1″)。它是一種全新原理的位移傳感器，利用時間測量空間，徹底回避了精密機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，智能化程度高等特點[3]。

測頭運動位置檢測采用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轉(zhuǎn)換為電信號，再通過數(shù)字信號處理電路將電信號轉(zhuǎn)換為計算機可讀的位移信號。光柵輸出的位移信號為2路相位差90°的方波信號，通過記錄2路方波信號上下沿的個數(shù)來測量實際的位移變化，并由這2路信號的瞬時相位變化測出位移的方向[5]。其中光柵信號轉(zhuǎn)換電路和信號檢測控制電路是系統(tǒng)設計的難點和重點。

OPGT_IN模塊中光柵原始信號是3路差分電信號(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(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，OG_R是清零電信號。為了與ARM控制器電信號相匹配，需要通過反相器把Ain、Bin、Rin電信號轉(zhuǎn)換成0～3．3 V的邏輯電信號OGA，OGB，OGR，然后，把這3路邏輯電信號送到ARM控制器進行信號檢測。光柵信號轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

4　運動控制系統(tǒng)軟件設計

4．1系統(tǒng)定位流程

高精度自動定位系統(tǒng)流程如圖6所示。首先ARM控制器通過RS232串口從上位機接收直線位移值，然后接收光柵尺的初始值，再將從上位機接收的直線位移值折算成步進電機的脈沖數(shù)，發(fā)脈沖控制步進電機轉(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，并與初值比較，計算出實際移動位移值，再將實際值與上位機預先設定的值進行比較，若一致，則輸出定位完畢信號，從串口接收上位機傳來的下一個位移值；若不一致，再判斷是否超過了設定值，控制電機修正。

4．2步進電機的位置控制算法

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帶來回程誤差。同時，為了克服低速爬行現(xiàn)象等因素，研究采用基于時間細分的單向逼近控制算法[5]，圖7為步進電機控制流程圖。

5　試驗結(jié)果與分析

三維移動滑臺的定位精度將直接影響測頭的位置變化，因而對單齒測量的示值穩(wěn)定性、齒輪齒距累積誤差都有影響。由于三維移動滑臺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方向，所以，就以Y為例進行的直線定位試驗。試驗采用的絲桿導程為5 mm和步進電機步距角為1．8°.利用驅(qū)動器對步進電機進行16倍細分。為了使測頭的定位精度達到±1 μm，對原始分辨率為1 μm的光柵尺進行四倍細分以提高其分辨率。

圖5　光柵信號轉(zhuǎn)換電路

圖6　高精度定位系統(tǒng)流程圖

圖7　步進電機控制流程圖

圖8　定位誤差曲線/mm

由圖8可以看到，標定前的定位誤差為10 μm．與預期的定位精度±1 μm相差很遠。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)頭運動軸線和其移動軸線會產(chǎn)生偏擺角，所以系統(tǒng)中存在阿貝誤差。試驗中通過激光干涉儀DISTAXL-LM-20B，采用靜態(tài)采點的方式，對定位精度進行標定。經(jīng)過線性補償，定位誤差降低到±1 μm．

6　結(jié)論

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

參考文獻：

[1]潘寧，楊雪鋒，齒輪齒距儀的改造及檢測系統(tǒng)設計．煤礦機械，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)．微計算機信息(測控自動化)，2009，25(4-1)：52-53．

[3]彭東林，劉小康，張興紅，等．高精度時柵位移傳感器研究．機械工程學報，2005，41(12)：26-129．

[4]馬忠梅，徐英慧，．ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應用基礎．北京：北京航空航天大學出版社，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，基于時間細分技術(shù)的高精度自動定位控制方法研究．自動化儀表，2011，32(4)：26-28．