米艷強(qiáng)， 劉江省， 楊福來(lái)， 趙建

（哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限公司，哈爾濱150040）

0 引言

隨著齒輪行業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)于齒輪量?jī)x的需求逐漸擴(kuò)大，并向著高精度、高效率、自動(dòng)化的方向發(fā)展，這就要求我們要不斷地完善和提升齒輪量?jī)x的設(shè)計(jì)水平，才能滿足市場(chǎng)日益變化的要求。齒輪量?jī)x要想提高精度和測(cè)量效率，除了改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)、提高機(jī)械零部件加工和裝配工藝水平及優(yōu)化測(cè)量軟件外，還有很重要的一點(diǎn)就是儀器控制系統(tǒng)的升級(jí)與優(yōu)化，本文主要介紹哈量公司在這方面所做的一些努力和工作。

1 總體方案設(shè)計(jì)

哈量公司原有的齒輪量?jī)x采用的控制系統(tǒng)是以步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，CAMAC電箱以及單軸獨(dú)立的光柵采集卡、驅(qū)動(dòng)控制卡作為控制單元而組成的半閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)存在著控制原理老化、集成度不高、擴(kuò)展開(kāi)發(fā)能力弱等缺點(diǎn)。為了配合儀器的升級(jí)換代，公司決定重新設(shè)計(jì)齒輪儀器的控制系統(tǒng)。要求新的控制系統(tǒng)應(yīng)具備響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定可靠、集成度高、功能接口多且具有一定通用性和擴(kuò)展性的特點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)多功能多軸運(yùn)動(dòng)控制的系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)研究決定該系統(tǒng)采用集成化程度高的多層電路板搭接結(jié)構(gòu)，以PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡作為控制核心，集成光柵信號(hào)處理電路、電感信號(hào)處理電路、伺服電機(jī)控制電路、手動(dòng)控制電路和接口電路等6大模塊，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，下面將針對(duì)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)及功能特點(diǎn)進(jìn)行介紹。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 多軸控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)

2.1 PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的選型及其特點(diǎn)

PMAC 控制卡（Program Multiple-axis Controller）是一種基于DSP的可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器，具有響應(yīng)速度快、精度高、開(kāi)發(fā)周期短、編程和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等多軸控制的高精度伺服裝置上。PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)傳輸總線的不同、控制方式的不同和最大控制運(yùn)動(dòng)軸數(shù)的不同等因素分成多個(gè)系列和型號(hào)，彼此之間在功能和價(jià)格上有著較大的差異。根據(jù)我們的實(shí)際應(yīng)用需求，最終選定使用網(wǎng)口通訊的、輸出±10 V模擬量電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)的四軸PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡。相比采用PCI總線通訊的控制卡，網(wǎng)口通訊更加穩(wěn)定可靠，不容易出現(xiàn)因接觸不良導(dǎo)致的故障，而且網(wǎng)口通訊的方式使得通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程在線調(diào)試控制系統(tǒng)成為可能。

2.2 接口電路

接口電路的作用就是起到一個(gè)橋梁作用，將計(jì)算機(jī)、多軸控制系統(tǒng)和眾多的外部電氣元件連接起來(lái)，通過(guò)對(duì)所有要傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行合理分配，最終確定在新的控制系統(tǒng)上設(shè)計(jì)4個(gè)光柵接口、4個(gè)電機(jī)接口、1個(gè)操作面板接口和1個(gè)電感測(cè)頭及光柵計(jì)數(shù)卡板卡接口，這樣的設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)化了外接電纜的數(shù)量，又不失通用性和靈活性，適合在不同類型的齒輪量?jī)x上使用。在電路圖設(shè)計(jì)時(shí)要合理地配置限流電阻值和濾波電容值，應(yīng)用光耦元件隔離信號(hào)，增強(qiáng)系統(tǒng)信號(hào)的穩(wěn)定性和抗干擾性。

2.3 手動(dòng)控制電路

齒輪量?jī)x在操作時(shí)需要有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制模式，儀器在自動(dòng)模式下完成坐標(biāo)校訂或測(cè)量動(dòng)作，而在測(cè)量開(kāi)始前各運(yùn)動(dòng)軸的初始定位就需要在手動(dòng)模式下完成。這次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，自動(dòng)模式由PMAC卡控制完成，而手動(dòng)模式是由操作面板上的模擬量操作桿，配合手動(dòng)控制電路完成手動(dòng)控制指令輸入，再由PMAC控制卡通過(guò)電機(jī)控制電路控制伺服電機(jī)完成。模擬量操作桿為外購(gòu)件，根據(jù)扳動(dòng)角度的不同可以輸出±5V的模擬量電壓，手動(dòng)控制電路在處理這個(gè)電壓信號(hào)時(shí)，需要將它進(jìn)行對(duì)稱性調(diào)整和放大處理，最終設(shè)計(jì)的手動(dòng)控制電路如圖2所示，其中B7電位器負(fù)責(zé)調(diào)整放大比、B8電位器調(diào)整電壓對(duì)稱性。

圖2 手動(dòng)控制電路

2.4 電感信號(hào)處理電路

圖3 工作原理框圖

圖4 電感測(cè)頭信號(hào)處理電路

電感信號(hào)處理電路與其它模塊相對(duì)獨(dú)立，設(shè)計(jì)中我們將其作為一塊獨(dú)立的電路板單獨(dú)開(kāi)發(fā)，它的主要作用是處理電感測(cè)頭信號(hào)，并將處理后的信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最終通過(guò)控制系統(tǒng)的接口模塊傳送到測(cè)頭信號(hào)和光柵采集卡上。整個(gè)電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是電感測(cè)頭信號(hào)的處理，本次設(shè)計(jì)中我們應(yīng)用了專用的線性位移差分變壓器（LVDT）芯片AD698，應(yīng)用這種集成芯片可以大大簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，因?yàn)锳D698具有所有必不可少的電路功能，只要增加幾個(gè)外接電氣元件來(lái)確定激磁頻率和增益，就能高精確和高再現(xiàn)性地將電感測(cè)頭工作時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性的直流電壓信號(hào)（其工作原理框圖如圖3所示）。參照AD698芯片手冊(cè)，設(shè)計(jì)的電感測(cè)頭信號(hào)處理電路如圖4所示，其中C6確定激勵(lì)信號(hào)頻率，R5設(shè)置激勵(lì)信號(hào)的電壓幅值，R13設(shè)置增益和輸出范圍。

2.5 光柵信號(hào)處理電路和伺服電機(jī)控制電路

光柵信號(hào)處理電路比較簡(jiǎn)單，不需要對(duì)光柵信號(hào)進(jìn)行過(guò)多的處理，它的作用是將外部光柵尺輸入的光柵信號(hào)分為兩路：一路直接通過(guò)專用接口輸出到測(cè)頭信號(hào)和光柵采集卡上，用作齒輪量?jī)x測(cè)量時(shí)的坐標(biāo)系定位；另一路則是送入PMAC控制卡作為全閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制的反饋信號(hào)。伺服電機(jī)控制電路負(fù)責(zé)將PMAC輸出的模擬量電壓通過(guò)專用接口，輸出給各個(gè)軸的伺服驅(qū)動(dòng)器，以此來(lái)控制伺服電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)部件完成測(cè)量動(dòng)作，同時(shí)還負(fù)責(zé)將驅(qū)動(dòng)器反饋回來(lái)的伺服電機(jī)工作狀態(tài)信號(hào)、報(bào)警信號(hào)等送回PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡處理，在這部分電路設(shè)計(jì)時(shí)考慮到電控系統(tǒng)的通用性要求，為了使此設(shè)計(jì)能夠匹配不同品牌的交流伺服電機(jī)，我們應(yīng)用了一片F(xiàn)PGA可編程芯片來(lái)處理反饋回來(lái)的信號(hào)，這樣就可以通過(guò)編寫不同的FPGA內(nèi)部程序來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用功能。另外，控制系統(tǒng)采用的可編程芯片不容易仿制，可以更好地保護(hù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)一段時(shí)間的不懈努力，我們成功地完成了這套多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作，并已應(yīng)用在哈量公司的39系統(tǒng)齒輪測(cè)量中心上投放市場(chǎng)，收到了良好的使用效果。通過(guò)這套控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，使我們掌握了復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)，同時(shí)也為以后軟件功能的擴(kuò)展奠定了良好的硬件基礎(chǔ)。

［1］ PMAC卡用戶手冊(cè)［M］.DELTA TAU公司.

［2］ 呂輝.現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

［3］ 董玉紅，楊清梅.機(jī)械控制工程基礎(chǔ)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.