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)臺齒輪箱對精度的要求非常高。因此，每一臺高精度齒輪箱在出廠之前都要進(jìn)行嚴(yán)格的精度檢測。傳動鏈測量儀是常用的齒輪箱精度檢測工具。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)的測量手段已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高精度齒輪箱檢測的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。①現(xiàn)有的傳動鏈測量儀檢測精度都不是很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺齒輪箱的精度要求;而采用人工光學(xué)的檢測方法雖然可達(dá)到較高的精度，但是測量效率低下。②由于雷達(dá)產(chǎn)品的特殊性，齒輪箱經(jīng)常要現(xiàn)場校驗，而傳統(tǒng)的傳動鏈測量儀體積巨大，移動運輸都很麻煩，靈活性較差。③傳統(tǒng)的傳動鏈測量儀對齒輪箱的軸徑有限制，不同軸徑的齒輪箱需要不同類型的檢測儀，通用性比較差［1-8］。

通過對現(xiàn)有傳動鏈測量儀和檢測方法的分析和研究，并結(jié)合實際工作需求，設(shè)計了精度高、操作簡單、穩(wěn)定度好和通用性強(qiáng)的傳動鏈測量儀。

1 測量儀的功能

高精度傳動鏈測量儀的功能主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

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

②實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示與存儲。將采集到的齒輪箱的輸入角度信號、輸出角度信號和齒隙角度信號實時顯示與存儲，用戶可隨時查看、調(diào)用存儲的數(shù)據(jù)。

③實現(xiàn)實時繪制動態(tài)傳動誤差曲線和齒隙誤差曲線的功能，并可以根據(jù)不同的測量需求調(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

高精度傳動鏈測量儀主要由機(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)動器、電機(jī)運動控制卡等組成。其硬件組成如圖1所示。

圖1 測量儀硬件組成簡圖Fig.1 Hardware composition of the measuring instrument

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

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

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

為了滿足不同軸徑的齒輪箱檢測需求，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現(xiàn)場使用，機(jī)柜自身帶有輪子，并且體積較小，移動運輸都很方便。

2.2 工作原理

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

測量儀的硬件主要由數(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)運動控制卡、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送給電機(jī)運動控制卡。系統(tǒng)通過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)動器、伺服電機(jī)和電機(jī)運動控制卡組成。電機(jī)運動控制卡發(fā)送模擬電壓量經(jīng)伺服驅(qū)動器控制電機(jī)運動，實現(xiàn)了對伺服電機(jī)的閉環(huán)控制。

3 軟件組成

高精度傳動鏈測量儀的軟件系統(tǒng)主要分為檢測傳動精度模塊、齒隙檢測模塊、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 檢測傳動精度模塊

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

檢測傳動精度的工作原理是實時檢測輸出軸的角度(即編碼器的角度)，當(dāng)輸出軸的角度到達(dá)采集點時，檢測輸入軸的角度;然后根據(jù)傳動比計算理論的輸出軸角度，得出傳動的角度誤差為:

式中:β1為實際輸出軸的角度;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為傳動比。

檢測傳動精度流程如圖2所示。

圖2 檢測傳動精度流程圖Fig.2 Systematic flowchart for measuring transmission accuracy

3.2 齒隙檢測模塊

齒隙檢測模塊主要對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。

檢測齒隙的工作原理是實時檢測輸出軸的角度(即編碼器的角度)，當(dāng)輸出軸的角度到達(dá)采集點時，檢測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。在這個過程中實時檢測輸入軸的角度(即電機(jī)的角度)，并再次檢測輸出軸的角度，計算出該點的齒隙。

齒隙檢測流程如圖3所示。

圖3 齒隙檢測流程圖Fig.3 Flowchart of backlash detection

3.3 繪圖模塊

根據(jù)傳動測量儀的角度誤差δ1、坐標(biāo)系X軸(測量角度范圍)和Y軸(角度誤差幅值)，繪制出傳動誤差曲線;根據(jù)δ2、坐標(biāo)系X軸(測量角度范圍)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)不同的齒輪箱的測量需求。

3.4 數(shù)據(jù)存取與調(diào)用模塊

根據(jù)測試的需求，系統(tǒng)可以根據(jù)測量的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行存檔，將采集到的原始數(shù)據(jù)實時存儲到指定的硬盤路徑下。保存的數(shù)據(jù)可以根據(jù)需求隨時查看、調(diào)用、繪制，也可以拷貝至其他計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)查看。同時，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)的存檔是通過以下語句實現(xiàn)的。

3.5 硬件控制模塊

高精度傳動鏈測量儀的運行是通過軟件驅(qū)動電機(jī)運動控制卡PISO-ENC300來實現(xiàn)的。為了確保PISOENC300的正常運行，需要將PISO-ENC300的驅(qū)動庫安裝到指定位置，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。

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

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

對電機(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ENC6_DO(0，0xxx)函數(shù)來實現(xiàn)的。

4 結(jié)束語

高精度傳動鏈測量儀是為檢測高精度齒輪箱而設(shè)計的，本文通過使用可靠的電機(jī)運動控制卡和高精度編碼器，達(dá)到了運動控制和數(shù)據(jù)采集的閉環(huán)控制，實現(xiàn)了對齒輪箱的高精度測量［9-12］。實際檢測和應(yīng)用表明，高精度傳動鏈測量儀運行平穩(wěn)，雷達(dá)齒輪箱的檢測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誤差和齒隙的測量中。該儀器的設(shè)計方法和開發(fā)步驟對其他控制系統(tǒng)的設(shè)計和研制也具有很好的參考價值。

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