毕业设计 齿轮测量中心测控系统开发

1、论文题目: 齿轮测量中心测控系统开发学科领域：测试计量技术及仪器论文作者：昌明 签名： 导师姓名：张 琳（副教授） 签名： 答辩日期：2006年3月摘 要随着我国制造业水平的不断提高和发展，以及对外经济贸易活动的日益频繁，不但对齿轮的加工和检测精度提出了越来越高的要求，还对齿轮误差评价标准提出了多样化的要求。而传统齿轮测量仪器虽然测量精度较高，但由于功能单一、数据处理能力弱等缺点，已经无法满足自动化检测的要求。本课题从工程实际出发，成功地完成了齿轮测量中心测控系统的开发工作。本文论述了以电子展成法为运动控制基础，结合坐标测量技术进行误差补偿的原理，开发齿轮测量中心测控系统的实现方法。从仪器的机

2、械系统特点出发，建立了具有开放式系统结构特点的自动运动控制系统，状态监控系统和数据采集系统，从而使仪器具备了自动测量所需的硬件条件。运用面向对象的编程思想对圆柱齿轮的特征参数和测量方法进行了抽象与封装。按照软件工程的开发规范完成了齿轮测量中心用户软件中测控系统软件部分的代码编写工作，主要包括数据采集程序，状态监控程序，运动控制程序和用户接口程序等。与设计的机械系统相互配合，实现了渐开线圆柱齿轮各单项参数的自动测量功能。整机联调和实验验证表明了本套测控系统的软硬件开发是比较成功的，实现了渐开线圆柱齿轮各单项误差的自动化测量，并对其它同类仪器的产品开发和升级改造具有参考意义和实用价值。关键词：齿轮

3、测量中心，渐开线圆柱齿轮，电子展成法，电子齿轮，测控系统subject： measuring and controling system develops on gear measuring centerspecialty： measurement metrology technology & instrumentcandidate： chang ming signature： supervisor： zhang lin signature： abstractthe level of domestic manufacturing is improving and developing cont

4、inuously, and the foreign economy trade relationships is enhancing, so not only the requirements of gear machining and measuring are more and more strict, but also various error evaluation standards are deduced. the traditional gear measuring apparatus possessed high precision, but their single func

5、tion and data process abilities couldnt meet the needs of automatic measuring mission. the thesis came from engineering fact, the target of building up a measuring and controlling system of gear measuring center was achieved successfully.the realization method of setting up a measuring and controlli

6、ng system of gear measuring center was discussed, basing on electronic generative metrology and combining with coordinate measurement techniques to correct errors. the open cnc system, status inspection and control system, data collection system were established according to the mechanical character

7、istics. the hardware condition of automatic measuring cylindrical gear was founded by these means. the parameters and metrical techniques of gear works were abstracted and packed with the help of oop thoughts, basing on the criterion of software engineering, the codes of measuring and controlling sy

8、stem were written, which was a part of user application software in gear measuring center. it includes data collection program, status inspection and control program, motion control and user interface program etc. working together with the hardware, the functions of measuring errors in involutes cyl

9、indrical gear were accomplished.develops on hardware and software of the measuring and controlling system had been experimented and indicated its success. the ability of automatic measuring involute cylindrical gear was acquired. the experience could be used into other developing or upgrading activi

10、ties of the products with the same class.key words: gear measuring center, involute cylindrical gear, electronic generative metrology, electronic gear, measuring and controlling system目 录1绪论11.1齿轮检测技术的发展历史和现状11.2计算机数控系统的发展21.3本课题研究的重要意义及内容42齿轮测量中心的测控原理及系统组成52.1测量原理及系统要求52.2 测量中心的系统组成62.2.1 机械系统62.2.

11、2 测控系统83.运动控制系统与状态监控系统113.1运动控制系统113.1.1运动控制器与伺服机构的选择113.1.2位置测量系统的构建153.1.3顶尖自动运动控制193.2状态监控系统213.2.1测头保护软件设计213.2.2气压监控与急停逻辑224数据采集系统234.1测头的选择和标定234.1.1电感测头工作原理234.1.2测量电路244.1.3软件数字滤波实现254.1.4 电感测头的标定264.2数据采集卡的选择与使用274.3信号转换接口设计284.3.1操纵杆接口电路设计284.3.2 fpga在人机交互接口中的应用295测控系统软件开发345.1测控系统软件结构与功能特

12、点345.2测量用户程序365.2.1测量前准备环节375.2.2运动控制程序375.2.3数据采集程序395.3齿轮测控系统坐标系的建立405.4齿轮常用参数的测量445.4.1齿廓偏差测量445.4.2螺旋线偏差测量505.4.3齿距偏差测量545.5技术人员调试程序566实验验证587总结与展望60致谢61参考文献62附录1 实验数据64附录2 插图68附录3 攻读硕士期间发表的学术论文701绪论1.1齿轮检测技术的发展历史和现状齿轮的应用有着悠久的历史，而齿轮的科学研究却始于17世纪m.camus发现齿轮传动的节点原理。1765年，l.euler将渐开线齿形引入齿轮。100多年后，fe

13、llows等人应用范成法高效地生产出渐开线齿轮，从此渐开线齿轮得到了广泛应用【1】。由于制造与安装等方面的原因，实际齿轮总是存在着误差。这种误差对传动系统的精度与动态特性（特别是振动与噪声）有直接的影响。因此，如何表征、测量、分析、利用和控制齿轮误差一直是不断探索的课题。齿轮测量的基础是齿轮精度理论。齿轮测量技术的发展历程是以齿轮精度理论的发展为前提的。齿轮精度理论的发展实质上反映了人们对齿轮误差认识的深化。迄今，齿轮精度理论经历了齿轮误差几何学理论、齿轮误差运动学理论和齿轮误差动力学理论的发展过程。它的发展，导致了齿轮精度标准的不断丰富和更新，如传动误差、设计齿廓的引入等。反过来，齿轮测量技

14、术的发展也为齿轮精度理论的应用和齿轮标准的贯彻提供了技术支撑。齿轮测量技术及其仪器的研发已有近百年的历史，其历程如图1-1所示。图1-1 齿轮测量技术发展历程【1】fig. 1-1 development of gear measure technology【1】20世纪70年代以前，齿轮测量原理主要以比较测量为主，其实质是相对测量。机械展成式测量技术在这一时期得到了发展，并在生产实践中经受了考验。迄今，基于这些技术的仪器仍是一些工厂检测齿轮的常用工具。1970年是齿轮测量技术的转折点。齿轮整体误差测量技术和齿轮测量机（中心）的出现解决了齿轮测量领域的一个难题,即在一台仪器上快速获取齿轮的全部

15、误差信息。这两项技术虽然都基于现代光、机、电、计算机等技术，但走上了不同的发展路线。齿轮整体误差测量技术是从齿轮综合测量中提取单项误差和其它有用信息。而齿轮测量机采用的是坐标法或电子展成法，仍然是基于对齿轮单项参数的测量。20世纪90年代以来，随着计算机技术和软件技术的蓬勃发展，齿轮测量技术的发展开始呈现出多种趋势。主要体现在系统结构的模块化程度，数据处理能力与分析判断能力的大大加强等方面。整体上考察过去一个世纪里齿轮测量技术的发展，主要表现在三个方面：（1）在测量原理方面，实现了由“比较测量”到“啮合运动测量”，直至“模型化测量”的发展；（2）在实现测量原理的技术手段上，历经了“以机械为主”

16、到“机电结合”，直至当今的“光机电”与“信息技术”综合集成的演变；（3）在测量结果的表述与利用方面，历经了从“指示表加肉眼读取”，到“记录器记录加人工分析”，直至“计算机自动分析并将测量结果反馈到制造系统”的飞跃。与此同时，齿轮测量仪还经历了从单品种单参数仪器（典型仪器有单盘渐开线检查仪），单品种多参数仪器（典型仪器有齿形齿向检查仪），到多品种多参数仪器（典型仪器有齿轮测量中心）的演变。目前，cnc型齿轮测量中心在检测功能，测量精度和自动化程度方面均得到很大提高，不仅可以测量齿轮工件，还可以测量齿轮加工刀具，甚至可以对加工机床的参数调整给出参考。实现被测齿轮一次装夹就能全自动完成整个测试，给出

17、测量结果与误差评价，所以得到了广泛的应用。1.2计算机数控系统的发展数字控制（numerical control）技术，简称数控（nc）技术，是指用数字化信息（数字量及字符）发出指令并实现自动控制的技术。采用数控技术的控制系统称为数控系统。数控设备就是装备了这种系统的受控设备，它广泛地应用在制造业和其它行业中，如数控加工设备、数控测量设备等【2】。数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础。数控技术水平的高低和数控设备的拥有量，是衡量国家工业现代化的重要标志之一。数控设备的核心是数控装置。它的研究开始于20世纪40年代前后。1952年美国研制成功了世界上第一台三坐标数控铣床，其数控系

18、统全部采用电子管组成，具有直线插补、连续控制等功能【3】。在微型计算机普及以前，数控设备的数控功能是利用专用计算机的硬件结构来实现的，称为硬件数控或简称nc，它们往往体积巨大，结构复杂，灵活性低。随着集成电路技术和软件技术的发展，人们开始通过小型通用计算机或微型计算机的系统控制程序来实现部分或全部数控功能，习惯上称为软件数控或简称为cnc(computer numerical control)，它们相对体积较小，结构简单，灵活性高。计算机数控（cnc）系统的部分或全部控制功能都是通过软件来实现的，故只需更改相应的控制程序，就可改变控制功能，而无需改变硬件电路，大大提高了控制系统的通用性和灵活性

19、，即具有很好的“柔性”【4】。近年来微电子技术的迅猛发展，使得计算机体系结构的研究成果被迅速运用到数控技术领域，数控系统的体系结构产生了质的变化，开放式数控系统成为了新一代数控系统体系结构的主流。我国从1958年开始数控技术的研究工作，目前，我国已经组织各方面的力量制定了中国的开放式数控系统onc（open numerical control）技术规范，并已经作为国家技术标准正式发布【5】。 数控系统的开放性概念的含义是指：数控系统的开发者在一个统一的体系结构下开发自己的产品，这个统一的体系结构是一个被广泛认可的并且是透明的规范。它具有以下五个方面的特性：系统互换性、可伸缩性、可移植性、可操作

20、性和可扩展性。开放式结构的数控系统的优点在于：具有广泛的兼容性，机床使用者可在较大的范围内根据需要配置硬件；同时也可方便地扩充系统的功能。此外，系统能直接运行第三方软件，充分利用现有的软件来开发出满足自己要求的数控系统。20世纪90年代初，正当日本和欧洲相继制订开放式数控发展计划时，ampro computer公司的策略发展部行政副总裁pick lehrbaum提出了“利用pc机体系结构，设计新一代的嵌入式应用”，software development system的james s.challenger提出了“windows和嵌入式计算机技术的融合”，主张利用现有pc机的软、硬件资源规范设计

21、新一代数控系统【6】。基于pc机的数控系统，就是指建立在普及型pc机（个人计算机）的硬件和操作系统基础上，采取机卡分离的方式，使用市场上销售的软件和硬件来实现机床控制功能的数控系统。机床制造者和机床用户在此系统上能够方便的进行软件开发，能够实现最佳控制功能和实现控制功能的用户个性化。众所周知，pc机本身就是一个标准的开放式体系结构的系统。使用pc机不仅为机床数控系统提供了优越的硬件平台，而且同样能保持数控机床的性能价格比的优势。微电子技术和控制理论的发展，使得能够制造出功能强大、体积小巧的运动控制器产品，加速了pc机在数控领域的普及速度。当前，在硬件方面，pc机的功能和稳定性不断增强，而价格持

22、续下降；在软件方面，pc机的软件资源丰富，功能强大，且容易接受和推广。pc机进入数控领域，极大地丰富了数控系统的软、硬件资源，有利于实现总线式、模块化、开放化的数控系统。借助pc的其它功能和计算机通信网络的发展，有利于实现制造信息化，降低开发成本，提高生产效率。所以，计算机数控系统将得到越来越广泛的应用。1.3本课题研究的重要意义及内容随着我国工业水平的快速提高，对齿轮的加工水平也提出了越来越高的要求，这就需要有更为先进的测量设备与之配合，以提高生产效率和产品质量【7】。而伴随我国齿轮新标准的进一步实施，提出了对凸形齿、修缘齿等零件的测量要求。并且，我国对外贸易活动日益密切，还提出了对齿轮零件

23、按国外标准（如din标准）进行误差评定的要求。与传统的齿轮测量仪器相比，齿轮测量中心除具有自动化程度高、测量精度高的特点外，在误差数据处理和评定方面也具有很大的优势，主要体现在以下几点。（1）能够精确地确定测量的评价范围，防止人工评价所造成的同一测量数据不同的评价结果；（2）能够按照gb标准或din标准对齿轮零件的测量数据进行误差评定；（3）对被测零件的基本信息和测量结果实行数据库管理，方便维护。因此，开发一台具有上述特点、能够满足用户需要的齿轮测量中心产品是十分必要的。而本课题以齿轮测量中心所具有的高精机械结构为基础，采用当代先进的电子展成法测量原理，利用计算机数控技术和数据处理技术，完成测

24、量与控制系统的开发，实现对渐开线圆柱齿轮各单项参数的测量功能。齿轮测量中心的系统组成包括：机械系统，测量系统，控制系统和数据处理与误差评价系统四个部分。本论文的主要工作就是：对齿轮测量中心的测量与控制系统进行开发，完成相关用户程序的编写，实现齿轮测量中心运动机构的正确动作和数据采集功能。主要内容包括：（1）测量与控制系统的硬件设计与构建（含运动控制器、测头的选型，运动轴位置信息、测头偏移量的获取与处理，手动操纵盒的设计，安全保护系统设计）；（2）控制系统设计（含电机数字控制策略、测量方案设计）；（3）编写测控系统相关程序。2齿轮测量中心的测控原理及系统组成2.1测量原理及系统要求早期的齿轮量仪

25、，采用的是机械展成式测量技术，就是将仪器的运动机构形成的标准特征线与被测齿轮的实际特征线作比较，来确定相应误差【1】。而精确的展成运动是借助一些精密机构来实现的。不同的特征线需要不同的展成机构，同一展成运动可用不同的机械结构来实现，其中应用最广的是圆盘杠杆式结构。比较测量的主要缺点是：测量精度依赖于标准件或展成机构的精度，机械结构复杂，柔性较差，同一个齿轮需要多台仪器测量。现代光电技术、微电子技术、计算机技术、软件工程、精密机械等技术的发展使得齿轮测量采用cnc坐标测量技术成为可能。齿轮测量坐标系的建立方法可细分为直角坐标法、极坐标法和圆柱坐标法。具体的实现形式主要包括：电子展成法和坐标测量法

26、。图2-1 齿轮测量仪fig. 2-1 gear measuring apparatus电子展成法是相对机械展成法而言的。所谓电子展成，即通过由计算机、控制器、伺服驱动装置及传动装置组成的展成系统，取代机械展成法中的展成装置，形成某种特定曲线轨迹（如螺旋线、齿廓线等）【8】。电子展成法一般是按照被测齿轮的理论方程进行控制的，数控系统采用闭环控制系统。采用电子展成法的齿轮测量仪器，一般都具有一个能够360度旋转的转台，在转台的一侧安装有一个能够实现三维运动的测头架，测量运动只能在转台的一侧进行，通过齿轮的旋转运动获得被测齿面。在这种结构的系统中，通常采用极坐标法或圆柱坐标法，这样方便建立工件坐标

27、系，简化数控系统的软件编程难度。如图2-1所示：当测量渐开线齿轮时，对于齿廓测量，按照渐开线齿轮齿廓的形成原理对w轴和x轴进行联动控制，使测头形成标准的理论渐开线轨迹；对于螺旋线测量，则是按照螺旋线的形成原理对运动机构进行控制，若被测齿轮是斜齿轮，则需要w轴和z轴联动。采用这种方法开发齿轮量仪，难度主要集中在运动控制程序的编制上，数据处理难度相对较低。在cnc齿轮测量中心上，计算机根据测量项目的要求，以上述原理为基础，通过数控系统控制各轴联动，使测头相对于被测工件产生所要求的测量运动。运动过程中，计算机实时采集测头变形量和同一时刻各坐标轴光栅的计数值，然后经过分析处理，输出测量结果【9】。坐标

28、测量法，即是根据测量项目的需要，在被测齿轮的齿面上测取一系列的坐标点数图2-2 三坐标测量机fig. 2-2 cmm据，然后再根据所建立的工件坐标系下齿轮的数学模型对这些数据进行处理，经过与理论模型进行比对，求得误差值。坐标测量法通常应用于三坐标测量机（如图2-2），将被测齿轮放置在三坐标测量机的工作范围之内，建立工件坐标系，之后被测齿轮的位置将不能改变。因为三坐标测量机通常不具备转台，所以测量过程中被测齿轮也不能转动，采点运动只能由测头在三维空间的移动完成。采用这种方法进行测量，难度主要集中在数学模型的建立和后期的数据处理上，对开发人员有较高要求。若要实现自动采点运动控制，则难度更大。比较上

29、述两种测量方法，考虑到开发难度和时间，这里利用电子展成法构建cnc型齿轮测量中心。然而，由于电子展成系统中各环节的误差，特别是传动误差，使电子展成系统并不能形成高准确度的展成基准。为此还需要在后期数据处理时，利用采样点的坐标值对误差值进行修正，减小传动误差对测量结果的影响【10】。cnc型齿轮测量中心由计算机系统、测量与控制系统和机械系统三大部分组成。以机械系统为基础，以计算机系统为开发工具和工作平台，以测量与控制系统为核心单元。欲实现对圆柱齿轮零件的高精度检测功能，各组成系统的性能需要满足以下要求：（1）结构中直线导轨的导向精度(直线度)、主轴回转精度、各坐标轴之间的相互位置精度(垂直度、平

30、行度)及机械刚度；（2）测头、光栅等测量基准件的准确度；（3）各轴坐标值采样的同时性以及传感器及其测量电路的动态响应特性；（4）位置控制精度和运动平稳性对机械系统刚度和测量系统的动态特性的影响；（5）测控系统软件的水平对测量精度的影响。2.2 测量中心的系统组成2.2.1 伺服拖动系统由于齿轮是回转体零件，使用圆柱坐标系对其进行测量比较便利，主运动系统应有三维直线运动自由度和绕齿轮轴线回转运动自由度。各运动轴的定义如图2-3所示。图2-3 齿轮测量中心fig. 2-3 gear measuring center伺服拖动系统（如图2-4）对齿轮测量中心这样的精密测量设备而言，其性能影响着仪器的最

31、图2-4 伺服拖动系统组成fig. 2-4 servo motion components终精度。作为测头主运动系统的x、y、z轴在测量时需要完成准确的位置坐标运动，并与转轴w配合实现多轴联动测量，因此分别采用了高精度的滚动导轨和气浮静压转台，以保证运动的精度与平稳性。传动机构方面，根据测量过程中运动平稳、爬行小、刚度高，同时不应产生较大的震动和噪声的要求，选用了滚动螺旋传动。虽然从原理上讲，位置闭环控制系统是根据测量系统反馈回来的位置信息去确定运动部件是否已达到所需的位置，传动系统误差不会直接引起定位误差。但若传动机构精度不高，或有空程、爬行等现象，便会延长寻觅准确定位的时间，甚至来回搜索，

32、乃至难以准确定位。所以在此采用精密滚珠丝杠作为直线运动机构的驱动装置，它具有精度高、分辨率高、空程和回程误差小的特点，易于实现精确定位。在丝杠与驱动电机间均采用了橡胶同步带传递运动。在齿轮误差测量运动中，各运动构件主要完成的是位置进给运动，不需要克服很大的阻力，运动速度也不高，但需要保证运动的平稳性，需要频繁地进行定位，切换运动速度和方向，所以伺服电机应该满足以下要求：（1）调速范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性；（2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求；（3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度；（4）能承受

33、频繁的起动、制动和正反转。直流伺服电机具有低转速大惯量，转矩大，起动力矩大，调速范围大、低速运行平稳，力矩波动小的性能特点。交流伺服电机具有动态响应好、转速高，容量大的优点。这里选用了调速性能良好的直流伺服电机。采用上面的结构设计，满足了进行齿轮精密测量过程对机械和运动系统要求。采取如图2-3所示的坐标系建立方案，为以后测量与控制系统的软件编程工作也带来了方便。2.2.2 测控系统测控系统的主要功能是接收计算机指令，控制机械系统实现测量运动；实时采集测头和各运动轴的坐标值，并传送给计算机；对机械系统的状态和操作面板进行监控。由于齿轮测量中心所测量的项目包含有形状、尺寸及位置等几何要素，因此要求

34、采样点密集、采样频率高，以实现高精度、高效率测量。与加工机床和普通三坐标测量机的数控系统相比，具有数据输入通道多、数据量大、需实现多轴联动控制等特点【11】【12】。当齿轮测量中心的机械系统结构确定以后，测控系统成为影响仪器精度的重要因素。本课题以工业控制计算机为核心，采用机卡分离式结构，在其上分别安装具有数据采集功能和运动控制功能的板卡，并借助其它相关硬件设备，建立起cnc型齿轮测量中心的测控系统。按组成结构，可分为运动控制系统，状态监控系统，数据采集系统和测控软件四部分，各部分间相互配合，共同完成整机的测量与控制任务。其组成结构框图如图2-5所示。（1）运动控制系统运动控制系统主要由运动控

35、制器、伺服放大器、伺服电机、位置测量系统组成，主要完成测量过程中，对运动构件的速度和位置控制功能。计算机通过多轴运动控制器，实现对每个轴的运动控制。伺服电机上安装的旋转变压器的输出电压，反映了驱动电机的转速大小，它被反馈给伺服放大器，对运动轴电机实行速度控制，构成速度内环。运动构件的位置测量信号反馈给运动控制器，构成位置外环，从而形成一个双闭环的控制系统，所以具有较高的运动精度。运动控制器还可实现多轴联动，控制测量进给运动的轨迹，完成渐开线、螺旋线等测量轨迹的电子展成。（2）状态监控系统状态监控系统主要监控机械本体、伺服系统、数据采集系统和手动操纵盒上各开关的状态，以及伺服驱动的自动/手动控制

36、切换等。状态监控系统由开关量输入/输出信号，电磁继电器以及各监控对象组成。计算机通过开关量输入、输出模板实现对系统状态的监控，并与运动控制系统相配合，完成对仪器本身和操作人员的保护功能。图2-5测控系统结构fig. 2-5 architecture of measuring and controlling system（3）数据采集系统数据采集系统主要由数据采集卡、测微测头及其处理电路、手动操纵盒接口电路组成。它根据状态监控系统所反映的信息，对当前的仪器状态做出相应判断，完成数据采集工作。数据采集卡接收来自测微测头及操纵盒的模拟量或开关量信号，经过内部的a/d转换器变成数字量信号，存储于相应的

37、寄存器中，供测控软件读取。与数据采集卡相配合的接口电路使测微测头和操纵盒能够正常工作并完成一定的信号处理功能。（4）测控软件测控软件也是整个测控系统的重要组成部分，它以电子展成法为控制原理，以运动控制器提供的强大的控制功能函数库为基础，完成对测控系统的控制和人机交互功能。软件功能中，人机接口反映了操作人员与测量中心的关系；测控接口反映了微机与测量和驱动系统的关系。测控系统软件采用层次化、模块化的思想，采取智能化、人性化设计，尽量方便用户使用，使测控系统软件满足实际需要。整个测量与控制系统的软硬件开发均采用模块化的设计思想，使各模块内部功能相对独立，尽量减少模块间的耦合。当一部分模块改进时，对整

38、体的影响减到最小。当计算机升级换代时，数控系统结构可以保持相对稳定，有利于组织生产和售后服务。本课题开发研究过程中，机械系统由专业人员设计完成，本人主要完成测量与控制系统的硬件设计与调试，编写相应的测控系统软件程序的工作。3.运动控制系统与状态监控系统3.1运动控制系统 3.1.1运动控制器与伺服机构的选择a运动控制器伴随着半导体制造业、计算机制造业、数控机床、工业机器人及其它产业机械的快速发展，数字运动控制器的开发与应用取得了惊人的业绩，在一些工业发达国家已形成了一种新兴的产业。之所以如此，是因为它为从事各种机电一体化设备控制工作的应用工程师提供了功能完备、使用灵活的控制平台。从而使得应用工

39、程师可以利用计算机或工业控制计算机的现有资源来构筑各种各样的专业化的控制器【4】。简单地说，运动控制器是通过对以电机驱动的执行机构等设备进行运动控制，实现预定运动轨迹的装置。可以说，只要有伺服电机应用的场合就离不开运动控制器。目前，开放式运动控制器的发展趋势是以dsp芯片作为运动控制处理器，pc机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入pc机，即“pc+运动控制器”的模式。这样将pc机的信息处理能力和开放式特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点，在很大程度上提高了现有加工制造的精度、柔性和满足市场需求的能力【13】

40、。与传统的数控装置相比，数字运动控制器具有以下特点： （1）技术更新，功能更强，一个运动控制器从硬件上可以实现一到多个坐标轴的位置、速度和轨迹伺服控制，软件上具有完善的轨迹插补、运动规划和伺服控制功能；图3-1 galil运动控制卡【14】fig. 3-1 galil motion controller【14】（2）结构形式模块化，可以方便地相互组合，建立适用不同场合、不同功能需求的控制系统；（3）操作简单，在pc机上经简单编程即可实现运动控制，而不一定需要专门的数控软件；在本项目中，我们采用了如图3-1所示的美国galil公司基于pci总线的四轴运动控制卡【14】。图3-2给出了伺服控制卡的

41、内部结构图。其处理核心是motorola 公司的一款32位微处理器，具有2m容量的ram和用于储存用户程序、变量、数组和控制程序的2m flash存储器。板卡提供了各种与操作有关的功能接口，包括：由一个双向fifo和中断处理电路组成的与主计算机的通讯接口；为四个运动轴提供的高速电机/编码器接口，可以完成限位和回零信号输入，光栅信号输入；适用于伺服电机的正负10伏电压输出接口和适用于步进电机的脉冲方向输出接口；i/o接口提供了8个可编程的ttl电平输入与输出接口，高速编码器比较输出和对应于每个轴的闭锁环节。此外，板上还带有一个程序监视定时器，用来完成对主处理器正常操作的监视，防止处理器进入死锁等

42、一些危险情况。图3-2 galil运动控制卡内部结构图【15】fig. 3-2 internal architecture of galil motion controller【15】galil数字运动控制器采用32位高速mcu，为应用工程师提供了许多运动控制方式，如定位、jog、直线/圆弧插补、电子齿轮、龙门同步驱动、电子凸轮、螺旋线、正切跟随等功能。双位置反馈接口功能可以消除机械换向间隙及滚珠丝杠离散误差。除回零、限位、急停、高速锁存（0.1s）事件触发接口之外，还为用户提供通用数字i/o接口。dmc数字运动控制器同时提供与伺服、步进及液压马达的接口，用户可以进行任意组合使用，实现控制系统

43、最佳配置。galil公司为用户提供了功能强大的2字符命令集，在一般应用场合，用户可以直接进行编程，快捷、简单。除此之处，还具有运动控制参数自调整功能的wsdk软件使用户在windows环境下，自动适配滤波器pid参数。速度前馈、加速度前馈控制对于要求系统具有快速响应性能的场合非常有用【14】【16】。b伺服系统伺服驱动系统简称伺服系统（servo system），是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。伺服系统是测控系统的重要组成部分，用以实现系统位置及电机转速的伺服控制。对于cnc数控系统，如果cnc装置是数控机床的“大脑”，是发布命令的“指挥机构”，伺服系统便是数控机床的“四肢”，

44、是一种“执行机构”。驱动系统及其位置控制系统的性能，在很大程度上决定了测控系统的性能和精度。测控系统的动态响应、稳态精度、测量精度等重要指标都取决于伺服控制系统的动态与静态性能。因此，选择高性能的驱动系统以及位置控制系统，一直是测控系统设计的关键【17】。对伺服系统的主要要求可归纳为精度高、运动平稳、响应速度快、电机调速范围宽、低速大扭矩、可靠性高等。本课题中，由于沿齿轮基圆半径方向运动轴（y轴）的定位精度直接影响测量结果，所以要求其定位精度良好；对于沿齿轮切向（x轴）和轴向（z 轴）的运动轴需要与转轴（w轴）配合联动，因此要求其响应速度快；对于转轴w，作为测量运动基准，要求其低速性能良好，定

45、位精度高。所以需要根据需要合理的配置伺服系统。按伺服系统调节理论，机床伺服系统通常可分为开环、半闭环和闭环系统。开环系统没有测量反馈环节，其控制精度较差；半闭环和闭环系统有测量反馈环节，可检测与直线位移有关的物理量，因而可获得较高的位置控制精度【18】。本系统采用闭环控制，内环为速度环，外环为位置环，其典型结构如图3-3所示。图3-3 闭环控制系统结构fig. 3-3 architecture of closed-loop control system伺服系统是由驱动部件（如交、直流电动机）和速度控制单元组成。其功能是提供测量运动过程中需要的转矩和功率并调节运动速度。伺服电机是最常见的驱动部件

46、。常用的伺服电机分为四大类：直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机、直接驱动电机。直流伺服电机具有低转速大惯量，转矩大，起动力矩大，调速范围大、低速运行平稳，力矩波动小的性能特点。交流伺服电机具有动态响应好、转速高，容量大的优点。鉴于本项目中运动执行机构的运动速度不高，运动平稳，定位准确的要求，以及工作环境的考虑，所以在设计方案中选用了美国amc公司的直流伺服驱动器和相应的直流伺服电机（如图3-4）。该伺服驱动器可直接与伺服电机相连，构成速度控制环，并且有四个可调电阻用于对伺服系统的部分参数进行模拟量调节，使用十分方便。三直线运动轴（x轴/y轴/z轴）选用了普通直流伺服电机，转轴w选用了低速性能

47、良好的直流伺服电机。 （a） （b）图3-4 伺服放大器与直流伺服电机fig. 3-4 servo amplifier and servo motor在搭建起伺服系统的硬件基础之后，还需要使用调节控制器对它进行控制，以满足实际应用时的要求。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称pid控制。它以其能较好地兼顾系统的动态性能和静态性能，结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要技术工具。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到准确的数学模型时，控制理论的其它设计技术难以使用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用pid控制技术最为

48、方便。在模拟控制系统中，常规pid控制系统由模拟pid控制器和被控对象组成。它是一种线性控制器，根据给定值与实际输出值构成控制偏差 (3.1)将偏差的比例（p）、微分（i）、积分（d）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称pid控制器。其控制归律为 (3.2)或写成传递函数形式 (3.3)式中 比例系数； 积分系数； 微分系数。 比例调节，积分调节和微分调节在控制系统中的作用如下：（1）比例调节 是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。（2）积分调节 是使系统消除稳态误差，提高无差度。积分作用常与另两种调节规律结合，组成pi调节器或pid调节器

49、。（3）微分调节 微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成pd或pid控制器。关于系统的pid控制器参数调节方法，本课题中采用了试凑的方法。具体做法是：（1）先调比例系数。将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统稳态误差减小到允许范围，响应曲线已属满意，那么只需比例控制即可，由此确定比例系数。（2）如果在比例控制基础上系统稳态误差不能满足设计要求，则加入积分环节。整定时首先将积分时间置为较大的数值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小（如缩

50、小为原值的0.8），然后减小积分时间，使得在保持系统良好动态的情况下，系统稳态误差得到消除。在此过程中，可根据曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以其得到满意的控制结果，得到整定参数。（3）若使用比例积分控制消除了系统稳态误差，但动态过程反复调整仍不能满意，则可加微分环节，构成比例、积分、微分控制器。在整定时，先将微分时间置为零，在第二步整定基础上增大，同样地相应改变比例系数和积分时间，逐步试凑以获得满意的调节效果和控制参数。所谓“满意”的调节效果是根据不同的对象和控制要求而异的，此外pid控制器的参数对控制质量的影响不是十分敏感，因而在系统中参数的选择不是唯一的。事实上，比例、积分、微分三

51、部分往往互相补偿，因此用不同的调节参数，完全有可能得到同样的控制效果。从应用的角度看，只要被控对象在主要方面的指标已达到设计要求，那么相应的控制器参数即可作为有效的控制参数。3.1.2位置测量系统的构建a光栅测量系统的设计位置测量系统是cnc系统的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并将测量的反馈信号和给定的指令信号相比较，若有偏差，经数控系统控制执行部件，使其向消除偏差的方向运动，直到偏差为零。为提高数控系统的定位精度，必须提高测量组件的分辨率和测量系统的精度。在cnc系统中，典型的测量装置有光栅、感应同步器、激光干涉仪和尺栅（测直线位移）、编码器（测角位移）【19】。其中

52、光栅是数控系统中应用较多的一种检测装置，尤其是在闭环伺服系统中。它是利用光的透射、反射和干涉现象制成的一种光电检测装置。光栅种类很多，其中有物理光栅和计量光栅之分。物理光栅的刻线细而密，栅距（两刻线之间的距离）在之间，通常用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅的刻线较粗，栅距在之间，通常用于数字检测系统中直线位移和角度位移的测量。计量光栅按形状可分为长光栅和圆光栅。长光栅用于直线位移测量，圆光栅用于角位移测量。使用光栅测量有如下优点：（1）测量精度高 由于利用莫尔条纹原理，莫尔条纹是许多刻线综合作用的结果，故对误差有均化作用，因此利用莫尔条纹信号所测量的位置精度高。（2）读数速度高 莫尔条纹的

53、取数率一般取决于光电接收组件和所使用电路的时间常数，能适用于动态测量定位系统。（3）分辨率高 常用的光栅节距为1050m细分后很容易做到1 0.1m的分辨率，最高分辨率可达到0.025m。（4）读数易于数字化、自动化 莫尔条纹信号接近正弦信号，可在光电转换后经数字化处理，以数字形式输出到微机系统，稳定可靠。光栅位置检测装置由光源、标尺光栅（长光栅）、指示光栅（短光栅）和光电组件等组成。标尺光栅、指示光栅分别固定在机床的不动件上和移动部件上，重叠且保持一定间隙，并使两光栅之间有一个很小的夹角。当平行光垂直照射光栅时，在光栅的另一面就会出现若干条与刻线垂直的明暗相间的粗大条纹，这种粗大的明暗条纹称

54、为莫尔条纹，它是光栅测量的基础。光栅每移动一个栅距莫尔条纹就移动一个条纹间距b，两者的运动关系相对应。摩尔条纹的光强信号经光电组件转换为正弦波电信号，电信号进行适当的处理后变成方波信号，使之成为计数脉冲，最后送入计数器进行计数。在测量中，读取该计数值，然后按脉冲当量换算成实际的位移量。从减小分辨率即仪器的脉冲当量的角度出发，光栅的栅距越小越好，这样便于细分。但是如果栅距太小，会造成刻线困难，同时使莫尔条纹的反差减小，受光栅副间隙变化的影响增大，所以对机械部分的导向精度要求很高。实际使用时应根据需要合理选用光栅。在要求高精度的测量时，高分辨率的传感器固然必不可少，但由于一般长光栅的栅距大多在4m

55、以上，圆光栅的栅距角大多在20以上。这样的分辨力显然不能满足测量的要求。在实际的测量系统设计中不可能仅靠增加栅线密度来实现高分辨率。为了实现精密测量必须采用莫尔条纹的细分技术来提高系统的分辨率。所谓细分技术，就是莫尔条纹在单位周期内时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，从而减小脉冲当量，即提高分辨率。近年来莫尔条纹细分技术日益成熟，细分方法日益完善，对一个栅距可做到几十到几百等分的细分。常用的细分方法有：电阻链移相细分、电平切割细分、脉冲填充法细分、微型计算机细分和集成芯片细分。在选择细分方法时应注意：高精度集成细分芯片对原始信号质量要求较高，其它方法对信号质量相对要求较低，但电路板要自己

56、制作、调试，周期较长。这里采用了电阻链细分的方法，其工作原理是：在电阻链的两端施加不同相位（通常相差90度）、相同频率的交流信号，由于两信号的叠加作用，可得幅值和相位都不相同的电信号。这些电信号经整形后，再经过门电路网络的处理，就能在输入信号的单位周期内获得若干计数脉冲，也就实现了细分。它的主要特点是电路简单可靠，成本较低，但这种细分受信号质量影响较大。对于细分数比较少的，可采用此种方法。典型的处理过程如图3-5所示：图3-5 电阻链移相细分流程图fig. 3-5 flow chart of phase modulation with resistor chain细分电路一般输出两路正交的方波

57、信号，在控制系统中，光栅信号往往要传送几米甚至几十米，再加上电气干扰，光栅信号在传到控制卡上计数时，一般都不能进行正常计数。而计数的准确性又是一台测量仪器至关重要的一环。所以为了增强抗干扰能力，方波在进入计数器前，必须对其进行差动处理，以减小由于长线传输而引入的共模信号干扰。这里使用了am26ls31芯片将原来的两路细分信号a/b变为a+/a-，b+/b-，然后输出给运动控制器的相应端口，完成倍频细分辨向功能。近年来，许多生产厂商把光栅信号的处理及细分集成到指示光栅（俗称“读数头”）上，这时的输出信号已经是正交的方波信号，可直接送入计数器进行计数。这样的指示光栅性能可靠稳定，体积小巧，对于用户来说十分方便，不再需要额外的细分电路，已经成为未来的发展趋势。本图3-6 renishaw光栅fig. 3-6 renishaw position encoders次课题中，采用了英国renishaw精密光栅（如图3-6）。该光栅采用金属反射式结构，指示