【正文】 刻線較粗，柵距在 ~ 之間，通常用于數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng) 中 直線位移和角度位移 的測(cè)量 。 （ 2） 讀數(shù)速度高 莫爾條紋的取數(shù)率一般取決于光電接收組件和所使用電路的時(shí)間常數(shù)，能適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量定位系統(tǒng)。標(biāo)尺光柵、指示光柵分別固定在機(jī)床的不動(dòng)件上和移動(dòng)部件上 ， 重疊且保持一定間隙，并使兩光柵之間有一個(gè)很小的夾角 θ。在測(cè)量中，讀取該計(jì)數(shù)值，然后按 脈沖 當(dāng)量換算成實(shí)際的位移量。 在要求高精度的測(cè)量時(shí)，高分辨率的傳感器固然必不可少，但由于一般長(zhǎng)光柵的柵距大多在 4181。為了實(shí)現(xiàn) 精密 測(cè)量必 須采用莫爾條紋的細(xì)分技術(shù)來提高系統(tǒng)的分辨率。 在選擇細(xì)分方法時(shí)應(yīng)注意：高精度集成細(xì)分芯片對(duì)原始信號(hào)質(zhì)量要求較高，其它運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) 17 方法對(duì)信號(hào)質(zhì)量相對(duì)要求較低，但電路板 要自己制作、調(diào)試，周期較長(zhǎng)。對(duì)于細(xì)分?jǐn)?shù)比較少的，可采用此種方法。 這里使用了 AM26LS31 芯片將原來的兩路細(xì)分信號(hào) A/B 變?yōu)?A+/A，B+/B，然后輸出給運(yùn)動(dòng)控制器的相應(yīng)端口，完成倍頻細(xì)分辨向功能 。 該光柵采用金屬反射式結(jié)構(gòu)，指示光柵 上設(shè)有一個(gè)狀態(tài)指示燈，可以反映當(dāng)前光柵是否能夠正常工作等簡(jiǎn)單信息，方便 維修人員 對(duì) 指示光柵 的位置進(jìn)行調(diào)整，相比與玻璃光柵進(jìn)步很多。同時(shí)對(duì)所有 TTL 電平輸入 /輸出信號(hào)進(jìn)行光電隔離電路處理，提高了整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力，用戶也可以很方便地實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)與 DMC 數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器之間接口。 當(dāng)光柵讀數(shù)頭沒有移動(dòng)至 零位 位置時(shí)，讀 數(shù)頭所輸出的零位信號(hào)為 0V， 相當(dāng)于圖 37中 HMSX 開關(guān)閉合，光隔中二極管兩端的壓降使光隔導(dǎo)通，這樣光隔右側(cè)的三極管導(dǎo)通，其集電極電壓為 0V，即 PICM3900 中零位信號(hào)端口的輸入電壓始終為 0V；當(dāng)光柵讀數(shù)頭移動(dòng)至 零位 位置時(shí)，讀數(shù)頭輸出一個(gè)幅值 約為 5V、 周期 約 為 秒 的 階躍 信號(hào)，這時(shí)HMSX 開關(guān) 相當(dāng)于經(jīng)歷一次 斷開 與閉合 ，光隔中二極管 截止然后導(dǎo)通， 光隔右側(cè)的三極 圖 37 隔離型輸入信號(hào)電氣連接 【 20】 Fig. 37 Electric Insulation of Input Signal【 20】 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) 19 管 也產(chǎn)生一次同樣的變化 ，其集電極電壓 由 0V 變至 5V，再 變?yōu)?0 伏 ，即 PICM3900 中零位信號(hào)端口的輸入電壓 發(fā)生同樣的變化，運(yùn)動(dòng)控制器檢測(cè)到零位信號(hào) 的這樣一次跳變過程， 正確識(shí)別回零動(dòng)作 。 頂尖自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制 與轉(zhuǎn)臺(tái)頂尖對(duì)應(yīng)的立柱上頂尖，在測(cè)量過程中 不但 需要和轉(zhuǎn)臺(tái)下頂尖有良好的同軸度（主要靠機(jī)械設(shè)計(jì)保證） ， 而 且 它 們之間應(yīng)該 保持 一定的 夾持 力 夾緊芯棒 。 表 31 信號(hào)狀態(tài)說明 Signal State Show 理論情況 實(shí)際使用時(shí)的問題 讀數(shù)頭零位輸出信號(hào) 光電隔離器三極管輸出信號(hào) 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 20 上圖所示的控制邏輯的原理如下： STOP 鍵負(fù)責(zé)該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的電源供應(yīng)，它的通斷直接影響整個(gè)系統(tǒng)能否工作。 并且，為保證上下頂尖的同軸度良好，上頂尖所在的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了鑄鐵材質(zhì)的 構(gòu)件 ，它不易變形，性能穩(wěn)定。電感測(cè)頭的損壞，多數(shù) 原因是 測(cè)頭所在的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了錯(cuò)誤的動(dòng)作，與被測(cè)工件或機(jī)床床身 發(fā)生碰撞 。 讀 取 測(cè) 頭 變 形 量正 在 進(jìn) 行 測(cè) 量 ？超 出 測(cè) 量 精 度 范 圍 ？超 過 設(shè) 定 閥 值報(bào) 警 提 示 對(duì) 話 框停 止 運(yùn) 動(dòng)切 換 到 手 動(dòng) 模式提 示 用 戶 手 動(dòng)退 出擦 除 運(yùn) 動(dòng) 程 序正 在 移 動(dòng) ？中 斷 返 回定 時(shí) 器 中 斷NNNN圖 39 測(cè)頭保護(hù)功能軟件流程圖 Software Flow Chart of Probe Protection 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 22 該程序的具體實(shí)現(xiàn)方法是，在主程序中設(shè)置一個(gè)時(shí)鐘中斷，該時(shí)鐘中斷服務(wù)程序查詢當(dāng)前測(cè)量中心的一些重要的狀態(tài)信息，如各運(yùn)動(dòng)軸的位置坐標(biāo)，測(cè)頭變形量等，通過和其它一些狀態(tài)信息綜合，判斷出測(cè)頭是否需要保護(hù)，進(jìn)而做出相應(yīng)的動(dòng)作。 如 圖 310 所示為 本課題中應(yīng)用的氣壓監(jiān)控與急停邏輯的示意圖。 在使用過程中，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)氣浮軸承的工作 氣壓 是有 要求 的，當(dāng)氣壓達(dá)不到 額度值 時(shí)，不允許進(jìn)行操作，所以要 設(shè)計(jì) 氣壓監(jiān)控 系統(tǒng) 來保護(hù) 機(jī)床 。 并且 ，系統(tǒng)也不允許在機(jī)床靜止時(shí)，操作人員觸碰測(cè)頭。 頂尖移動(dòng)過程中對(duì)其位置精度并沒有嚴(yán)格要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)只選用了一般的小型交流電機(jī)，完成換向功能。 UP/DOWN 鍵控制頂尖的上下移動(dòng)。所以，需要設(shè)計(jì)一套能夠?qū)α⒅享敿?運(yùn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)控制的裝置，使得當(dāng) 夾持 力達(dá)到一定程度時(shí)，頂尖自動(dòng)停止，同時(shí)在測(cè)量完畢時(shí)，控制頂尖自動(dòng)升起，減輕操作人員的體力負(fù)擔(dān)，提高整機(jī)的自動(dòng)化程度。 但實(shí)際使用時(shí)，由于光柵的零位（ HOME）信號(hào)很微弱，帶負(fù)載能力不強(qiáng)，在外加直流電源（圖中為 DC24V）的 影響 下，會(huì)將 平時(shí)的零位信號(hào) 由 0V拉高至大約 2V左右，這時(shí)光隔中二極管 始終處于 截止 狀態(tài) ， 即使讀數(shù)頭運(yùn)動(dòng)到零位位置也是如此， 所以PICM3900 中的相應(yīng)端口總是高電平 無變化 ，檢測(cè)不到零位（ HOME） 信號(hào) 的 跳變 ，從而不能正確回零。對(duì)零位位置的檢測(cè)，是通過光柵讀數(shù)頭和專用的磁性 零位貼完成的。 放大電路移相電路電平比較門電路網(wǎng)絡(luò)倍頻細(xì)分辨向正 弦 波 細(xì) 分 信 號(hào) 圖 35 電阻鏈移相細(xì)分流程圖 Fig. 35 Flow Chart of Phase Modulation with Resistor Chain 圖 36 RENISHAW 光柵 Fig. 36 RENISHAW Position Encoders 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 18 b 光柵弱小零位信號(hào)的處理 本課題中的運(yùn)動(dòng)控制器選用了美國(guó) Galil 公司的 DMC18X2 系列產(chǎn)品， 為便于信號(hào)連接，還使用了與之配套的 PICM3900 互聯(lián)模塊 【 20】 。這樣的 指示光柵 性能可靠穩(wěn)定，體積小巧， 對(duì)于用戶來說 十分 方便，不再需要額外的細(xì)分電路，已經(jīng)成為未來的發(fā)展 趨勢(shì)。而計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性又是一臺(tái)測(cè)量?jī)x器至關(guān)重要的一環(huán)。這些電信號(hào)經(jīng)整形后， 再經(jīng)過門電路網(wǎng)絡(luò)的處理， 就能 在輸入信號(hào)的單位周期內(nèi) 獲得若干計(jì)數(shù)脈沖，也就實(shí)現(xiàn)了細(xì)分。近年來莫爾條紋細(xì)分技術(shù)日益成熟，細(xì)分方法 日益 完善，對(duì)一個(gè)柵距可 做到 幾十到幾百等分的細(xì)分。這樣的分辨力顯然不能滿足測(cè)量的要求。但是 如果 柵距太小，會(huì)造成刻線困難，同時(shí)使莫爾條紋的反差減 小 ， 受 光柵副間隙變化 的 影響 增 大，所以對(duì)機(jī)械部分的 導(dǎo)向 精度要求 很 高。光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距 ω 莫爾條紋就移動(dòng)一個(gè)條紋間距 B，兩者的運(yùn)動(dòng)關(guān)系相對(duì)應(yīng)。 （ 4）讀數(shù)易于數(shù)字化、自動(dòng)化 莫爾條紋信號(hào)接近正弦信號(hào)，可 在 光電轉(zhuǎn)換后經(jīng)數(shù)字 化 處理 ， 以數(shù) 字形式輸 出到微機(jī)系統(tǒng)， 穩(wěn)定可靠。長(zhǎng)光柵用于直線位移測(cè)量 ，圓光柵用于角位移測(cè)量。光柵種類很多，其中有物理光柵和計(jì)量光柵之分。為提高數(shù)控系統(tǒng) 的 定位精度，必須提高測(cè)量組件的分辨率和測(cè)量系統(tǒng)的精度。事實(shí)上，比例、積分、微分三部分往往互相補(bǔ)償，因此用不同的 調(diào)節(jié) 參數(shù)，完全有可能得到同樣的控制效 果。在此過程中，可根據(jù)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，以其得到滿意的控制 結(jié)果 ，得到整定參數(shù)。 將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到 反應(yīng) 快、超調(diào)小的 響應(yīng) 曲線。 （ 3） 微分調(diào)節(jié) 微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn) 生超前的控制作用。其控制歸律為 ?????? ??? ? dt tdeTdtteTteKtu dtiP)()(1)()(0 () 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式 SKSKKsE sUsG diP ???? )( )()( () 式中 PK —— 比例系數(shù)； IK —— 積分 系數(shù) ； DK —— 微分 系數(shù) 。它以其能 較好地兼顧系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要技術(shù)工具。 該伺服驅(qū)動(dòng)器 可直接與伺服電機(jī)相連，構(gòu)成速度控制環(huán)，并且有四個(gè)可調(diào)電阻用于對(duì)伺服 系統(tǒng) 的 部分 參數(shù)進(jìn)行模擬量調(diào)節(jié)，使用十分方便。常用的伺服電機(jī)分為四大類：直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)， 外環(huán)為位置環(huán)，其典型結(jié)構(gòu)如圖 33 所示 。 本 課題 中，由于沿齒輪基圓 半徑方向運(yùn)動(dòng)軸 （ Y 軸） 的定位精度直接影響測(cè)量結(jié)果，所以要求其定位精度良好；對(duì)于沿齒輪切向 （ X 軸） 和軸向 （ Z 軸） 的運(yùn)動(dòng)軸需要與轉(zhuǎn)軸 （ W 軸） 配合聯(lián)動(dòng)，因此要求其響應(yīng)速度快；對(duì)于轉(zhuǎn)軸 W， 作為測(cè)量運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)， 要求其低速性能良好，定位精度高。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其位置控制系統(tǒng)的 性能，在很大程度上決定了測(cè)控系統(tǒng)的性能和精度。速度前饋、加速度前饋控制對(duì)于要求系統(tǒng)具有快速響應(yīng)性能的場(chǎng)合非常有用 【 14】 【 16】 。除回零、限位、急停、高速鎖存（ s）事件觸發(fā)接口之外，還為用戶提供通用數(shù)字I/O 接口。板卡提供了各種與操作有關(guān)的功能接口，包 圖 31 Galil運(yùn)動(dòng)控制卡 【 14】 Fig. 31 Galil Motion Controller【 14】 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 12 括：由一個(gè)雙向 FIFO 和中斷處理電路組成的與主計(jì)算機(jī)的通訊接口；為四個(gè)運(yùn)動(dòng)軸提供的高速電機(jī) /編碼器接口，可以完成限位和回零信號(hào)輸入，光柵信號(hào)輸入 ； 適用于伺服電機(jī)的正負(fù) 10 伏電壓輸出接口和適用于步進(jìn)電機(jī)的脈沖方向輸出接口； I/O 接口提供了 8個(gè)可編程的 TTL 電平輸入與輸出接口，高速編碼器比較輸出和對(duì)應(yīng)于每個(gè)軸的閉鎖環(huán)節(jié)。這樣將 PC 機(jī)的信息處理能力和開放式特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng)、開放程度 高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點(diǎn)，在很大程度上提高了現(xiàn)有加工制造的精度、柔性和 滿足 市場(chǎng)需求的能力 【 13】 。從而使得應(yīng)用工程師可以利用計(jì)算機(jī)或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的現(xiàn)有資源來構(gòu)筑各種各樣的專業(yè)化的控制器 【 4】 。當(dāng)計(jì)算機(jī)升級(jí)換代時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以保持相對(duì)穩(wěn)定，有利于組織生產(chǎn)和售后服務(wù)。 軟件 功能中 ，人機(jī) 接口反映了操作 人 員 與測(cè)量中心的關(guān)系 ；測(cè)控 接口反映了微機(jī)與測(cè)量和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)系 。它根據(jù)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)所反映的信息， 對(duì)當(dāng)前的儀器狀態(tài) 做出 相應(yīng)判斷，完成數(shù)據(jù)采集工作。 （ 2）狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) 狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)控機(jī)械本體 、 伺服系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和 手動(dòng)操縱盒 上各開關(guān) 的齒輪測(cè)量中心的測(cè)控原理及系統(tǒng)組成 9 狀態(tài) ， 以及伺服驅(qū)動(dòng)的自動(dòng) /手動(dòng)控制切換等 。 計(jì)算機(jī)通過多軸運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)控制。 本課題以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，采用機(jī)卡分離式結(jié)構(gòu)，在其上分別安裝具有數(shù)據(jù)采集功能和運(yùn)動(dòng)控制功能的板卡， 并 借助其它相關(guān)硬件設(shè)備 ，建立起 CNC 型齒輪測(cè)量中心的測(cè)控系統(tǒng)。 測(cè)控系統(tǒng) 測(cè)控系統(tǒng)的主要功能是接收計(jì)算機(jī)指令，控制機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量運(yùn)動(dòng)；實(shí)時(shí)采集測(cè)頭和各運(yùn)動(dòng)軸的坐標(biāo)值，并傳送給計(jì)算機(jī)；對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的狀態(tài)和操作面板進(jìn)行監(jiān)控。 交流伺服電機(jī) 具有 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 、轉(zhuǎn)速高，容量大 的優(yōu)點(diǎn) 。所以在此 采用精密 滾珠 絲杠作為直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置，它具有精度高、分辨率高、空程和回程誤差小的特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)精確定位。作為測(cè)頭主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的 X、 Y、 Z軸在測(cè)量時(shí)需要完成 準(zhǔn)確的位置坐標(biāo)運(yùn)動(dòng) ， 并與轉(zhuǎn)軸W 配合實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)測(cè)量， 因此 分別 采用了 高精度的滾動(dòng)導(dǎo)軌 和 氣浮 靜壓 轉(zhuǎn)臺(tái)， 以保證運(yùn)動(dòng)的精度與平穩(wěn)性。欲實(shí)現(xiàn)對(duì)圓柱齒輪零件的高精度檢測(cè)功能，各組成系統(tǒng)的 性能需要滿足 以下要求 ： （ 1） 結(jié)構(gòu)中直線導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度 (直線度 )、主軸回轉(zhuǎn)精度、各坐標(biāo)軸之間的相互位置精度 (垂直度、平行度 )及機(jī)械剛度 ； （ 2） 測(cè)頭、光柵等測(cè)量基準(zhǔn)件的準(zhǔn)確度 ； （ 3） 各軸坐標(biāo)值采樣的同時(shí)性以及傳感器及其測(cè)量電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 ； （ 4） 位 置控制精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性對(duì)機(jī)械系統(tǒng)剛度和測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的影響； （ 5）測(cè)控系統(tǒng)軟件的水平對(duì)測(cè)量精度的影響。 然而，由于電子展成系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的誤差，特別是傳動(dòng)誤差，使電子展成系統(tǒng)并不能形成高準(zhǔn)確度的展成基準(zhǔn)。因?yàn)槿鴺?biāo)測(cè)量機(jī)通常不具備轉(zhuǎn)臺(tái)，所以測(cè)量過程中被測(cè)齒輪 也 不能轉(zhuǎn)動(dòng)， 采點(diǎn) 運(yùn)動(dòng) 只能 由 測(cè)頭在三維空間的移動(dòng) 完成。 在 CNC 齒輪測(cè)量中心上，計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)量項(xiàng)目的要求， 以上述原理為基礎(chǔ)， 通過數(shù)控系統(tǒng)控制各軸聯(lián)動(dòng)，使測(cè)頭相對(duì)于被測(cè)工件產(chǎn)生所要求的測(cè)量運(yùn)動(dòng)。 采用電子展成法的齒輪測(cè)量?jī)x器，一般都具有一個(gè)能夠 360 度旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)，在轉(zhuǎn)臺(tái)的一側(cè) 安裝有一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)的測(cè)頭架，測(cè)量 運(yùn)動(dòng)只能在轉(zhuǎn)臺(tái)的一側(cè)進(jìn)行，通過齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)獲得被測(cè)齒面 。具體的實(shí)現(xiàn)形式 主要包括：電