高精度傳動(dòng)鏈測(cè)量?jī)x的研制

劉成芳 蘇麗潔

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

眾所周知，雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺(tái)齒輪箱對(duì)精度的要求非常高。因此，每一臺(tái)高精度齒輪箱在出廠之前都要進(jìn)行嚴(yán)格的精度檢測(cè)。傳動(dòng)鏈測(cè)量?jī)x是常用的齒輪箱精度檢測(cè)工具。隨著機(jī)械加工工藝的進(jìn)步和工業(yè)化生產(chǎn)要求的提高，傳統(tǒng)的測(cè)量手段已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高精度齒輪箱檢測(cè)的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。①現(xiàn)有的傳動(dòng)鏈測(cè)量?jī)x檢測(cè)精度都不是很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺(tái)齒輪箱的精度要求;而采用人工光學(xué)的檢測(cè)方法雖然可達(dá)到較高的精度，但是測(cè)量效率低下。②由于雷達(dá)產(chǎn)品的特殊性，齒輪箱經(jīng)常要現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，而傳統(tǒng)的傳動(dòng)鏈測(cè)量?jī)x體積巨大，移動(dòng)運(yùn)輸都很麻煩，靈活性較差。③傳統(tǒng)的傳動(dòng)鏈測(cè)量?jī)x對(duì)齒輪箱的軸徑有限制，不同軸徑的齒輪箱需要不同類(lèi)型的檢測(cè)儀，通用性比較差［1-8］。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有傳動(dòng)鏈測(cè)量?jī)x和檢測(cè)方法的分析和研究，并結(jié)合實(shí)際工作需求，設(shè)計(jì)了精度高、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定度好和通用性強(qiáng)的傳動(dòng)鏈測(cè)量?jī)x。

1 測(cè)量?jī)x的功能

高精度傳動(dòng)鏈測(cè)量?jī)x的功能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

①實(shí)現(xiàn)齒輪箱輸入/輸出軸角度、傳動(dòng)誤差、齒隙通道角度的采集及數(shù)字轉(zhuǎn)換，同時(shí)具有零點(diǎn)校正功能以及角度的十進(jìn)制和度分秒兩種顯示功能。

②實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)。將采集到的齒輪箱的輸入角度信號(hào)、輸出角度信號(hào)和齒隙角度信號(hào)實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)，用戶可隨時(shí)查看、調(diào)用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

③實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)繪制動(dòng)態(tài)傳動(dòng)誤差曲線和齒隙誤差曲線的功能，并可以根據(jù)不同的測(cè)量需求調(diào)整所需的坐標(biāo)系。

2 硬件組成及工作原理

2.1 硬件組成

高精度傳動(dòng)鏈測(cè)量?jī)x主要由機(jī)柜、工控機(jī)主機(jī)、顯示器、光電增量式編碼器、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡等組成。其硬件組成如圖1所示。

圖1 測(cè)量?jī)x硬件組成簡(jiǎn)圖Fig.1 Hardware composition of the measuring instrument

測(cè)量?jī)x的伺服電機(jī)選用三菱的HC-KFS13。該電機(jī)自身帶有編碼器，通過(guò)將該編碼器設(shè)置為位置檢測(cè)模式，最高采集精度可以達(dá)到每周131 072個(gè)脈沖，滿足輸入軸的精度要求。

光電式增量編碼器選用美國(guó)GPI公司的編碼器9220，通過(guò)將該編碼器設(shè)置為差分采集模式，最高采集精度可以達(dá)到每周144 000個(gè)脈沖，滿足輸出軸的精度要求。

電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡選用PISO-ENC300。該板卡具有電機(jī)控制功能和脈沖信號(hào)采集功能，同時(shí)也可以采集編碼器和伺服電機(jī)發(fā)送來(lái)的角度量信息。伺服驅(qū)動(dòng)器選用三菱的MR-J2。

為了滿足不同軸徑的齒輪箱檢測(cè)需求，工具箱內(nèi)配備有各種尺寸的聯(lián)軸器，具有很高的通用性。為了便于在各種不同檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)使用，機(jī)柜自身帶有輪子，并且體積較小，移動(dòng)運(yùn)輸都很方便。

2.2 工作原理

系統(tǒng)工作時(shí)，將HC-KFS13和編碼器9220分別連接到齒輪箱輸入、輸出軸上，通過(guò)PISO-ENC300發(fā)送模擬電壓量，并由MR-J2控制HC-KFS13的運(yùn)動(dòng)方向和速度，帶動(dòng)齒輪箱的輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，HCKFS13采集輸入軸的角度值送至PISO-ENC300，以實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前的輸入軸角度量。根據(jù)設(shè)置的傳動(dòng)比，輸入軸帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器9220實(shí)時(shí)采集輸出軸的角度值送給PISO-ENC300，以實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前的輸出軸角度量。

測(cè)量?jī)x的硬件主要由數(shù)據(jù)采集模塊和電機(jī)控制模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊由電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服電機(jī)和編碼器組成。外部編碼器采集輸出軸的脈沖信號(hào)送給數(shù)據(jù)采集卡，伺服電機(jī)內(nèi)的編碼器采集輸入軸的脈沖信號(hào)送給電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡。系統(tǒng)通過(guò)采用高精度的板卡和編碼器，保證了系統(tǒng)的高精度和準(zhǔn)確率。電機(jī)控制模塊由伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡組成。電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送模擬電壓量經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服電機(jī)的閉環(huán)控制。

3 軟件組成

高精度傳動(dòng)鏈測(cè)量?jī)x的軟件系統(tǒng)主要分為檢測(cè)傳動(dòng)精度模塊、齒隙檢測(cè)模塊、繪圖模塊、數(shù)據(jù)存取與調(diào)用模塊、硬件控制模塊五大模塊。

3.1 檢測(cè)傳動(dòng)精度模塊

傳動(dòng)精度檢測(cè)模塊主要對(duì)接收的齒輪箱輸入輸出角度信息進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)顯示角度值和角度誤差;并相應(yīng)繪制理論輸出角度與實(shí)際輸出角度之間的傳動(dòng)誤差曲線。

檢測(cè)傳動(dòng)精度的工作原理是實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出軸的角度(即編碼器的角度)，當(dāng)輸出軸的角度到達(dá)采集點(diǎn)時(shí)，檢測(cè)輸入軸的角度;然后根據(jù)傳動(dòng)比計(jì)算理論的輸出軸角度，得出傳動(dòng)的角度誤差為:

式中:β1為實(shí)際輸出軸的角度;β2為理論輸出軸的角度;α為輸入軸的角度;δ1為角度誤差;K為傳動(dòng)比。

檢測(cè)傳動(dòng)精度流程如圖2所示。

圖2 檢測(cè)傳動(dòng)精度流程圖Fig.2 Systematic flowchart for measuring transmission accuracy

3.2 齒隙檢測(cè)模塊

齒隙檢測(cè)模塊主要對(duì)接收的齒輪箱輸入輸出角度信息進(jìn)行處理，顯示齒輪箱齒輪間的角度間隙，并繪制相應(yīng)的齒隙誤差曲線。

檢測(cè)齒隙的工作原理是實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出軸的角度(即編碼器的角度)，當(dāng)輸出軸的角度到達(dá)采集點(diǎn)時(shí)，檢測(cè)輸入軸的角度并記錄;然后控制電機(jī)繼續(xù)沿同一方向前進(jìn)一固定小角度后再退回之前的記錄點(diǎn)。在這個(gè)過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)輸入軸的角度(即電機(jī)的角度)，并再次檢測(cè)輸出軸的角度，計(jì)算出該點(diǎn)的齒隙。

齒隙檢測(cè)流程如圖3所示。

圖3 齒隙檢測(cè)流程圖Fig.3 Flowchart of backlash detection

3.3 繪圖模塊

根據(jù)傳動(dòng)測(cè)量?jī)x的角度誤差δ1、坐標(biāo)系X軸(測(cè)量角度范圍)和Y軸(角度誤差幅值)，繪制出傳動(dòng)誤差曲線;根據(jù)δ2、坐標(biāo)系X軸(測(cè)量角度范圍)和Y軸(齒隙誤差幅值)，繪制出齒隙曲線。為保證曲線的清晰直觀，可以調(diào)整所需的坐標(biāo)系，以適應(yīng)不同的齒輪箱的測(cè)量需求。

3.4 數(shù)據(jù)存取與調(diào)用模塊

根據(jù)測(cè)試的需求，系統(tǒng)可以根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行存檔，將采集到的原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到指定的硬盤(pán)路徑下。保存的數(shù)據(jù)可以根據(jù)需求隨時(shí)查看、調(diào)用、繪制，也可以拷貝至其他計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)查看。同時(shí)，用戶也可以使用Excel圖表工具查看數(shù)據(jù)的誤差曲線和齒隙誤差曲線，從而為今后數(shù)據(jù)的查看、調(diào)用、繪圖提供了便利。

數(shù)據(jù)的存檔是通過(guò)以下語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)的。

3.5 硬件控制模塊

高精度傳動(dòng)鏈測(cè)量?jī)x的運(yùn)行是通過(guò)軟件驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡PISO-ENC300來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了確保PISOENC300的正常運(yùn)行，需要將PISO-ENC300的驅(qū)動(dòng)庫(kù)安裝到指定位置，并在軟件的頭文件中包含“#include‘enc600.h’”后才可以調(diào)用PISO-ENC300的函數(shù)庫(kù)。

在運(yùn)行PISO-ENC300之前，首先需要通過(guò)以下函數(shù)找到PISO-ENC300并初始化。

由于系統(tǒng)中需要PISO-ENC300同時(shí)采集兩路脈沖信號(hào)，所以要分別調(diào)用以下兩個(gè)通道的采集函數(shù)。

對(duì)電機(jī)的控制，包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、快速、中速、慢速的控制都是通過(guò)ENC6_DO(0，0xxx)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)束語(yǔ)

高精度傳動(dòng)鏈測(cè)量?jī)x是為檢測(cè)高精度齒輪箱而設(shè)計(jì)的，本文通過(guò)使用可靠的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡和高精度編碼器，達(dá)到了運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)齒輪箱的高精度測(cè)量［9-12］。實(shí)際檢測(cè)和應(yīng)用表明，高精度傳動(dòng)鏈測(cè)量?jī)x運(yùn)行平穩(wěn)，雷達(dá)齒輪箱的檢測(cè)效率得到了很大的提高。該儀器可以被廣泛地應(yīng)用于高精度齒輪箱的傳動(dòng)誤差和齒隙的測(cè)量中。該儀器的設(shè)計(jì)方法和開(kāi)發(fā)步驟對(duì)其他控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制也具有很好的參考價(jià)值。

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