賈方文，曹陽(yáng)

（中國(guó)航發(fā)動(dòng)力股份有限公司，陜西 西安 710021）

0 引言

傳統(tǒng)手動(dòng)分度頭使用中需要依靠分度齒盤(pán)或傳動(dòng)手輪進(jìn)行人工分度，角度分度效率低、操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且手動(dòng)瞄準(zhǔn)存在隨機(jī)誤差、多次反復(fù)瞄準(zhǔn)會(huì)引入反向回程誤差和累積偏差，從而影響精度。目前普遍使用的獨(dú)立數(shù)控分度頭的定位誤差大多高于10″（角秒），與手動(dòng)分度頭的分度精度有差距。受研究經(jīng)費(fèi)高、市場(chǎng)需求低、高精度角度編碼器大多依賴進(jìn)口等因素影響，市場(chǎng)上定位誤差為10″以下的高精度分度頭很少。國(guó)內(nèi)的高精度數(shù)控分度產(chǎn)品以科研院校科研課題或?qū)W術(shù)研究以采購(gòu)為主，數(shù)控產(chǎn)品從理論研究到生產(chǎn)推廣及應(yīng)用均存在遲滯。國(guó)外的高精度專用數(shù)控分度頭的分度精度可達(dá)3.6″，具有定位精度高、集成度高的特點(diǎn)，但價(jià)格昂貴，例如WALTER公司的一套配備液壓系統(tǒng)和專用控制器的TAD型數(shù)控分度頭報(bào)價(jià)近150萬(wàn)人民幣。其他進(jìn)口數(shù)控分度產(chǎn)品多為數(shù)控加工設(shè)備配套產(chǎn)品或集成附件，用于刀具主軸或數(shù)控設(shè)備的擴(kuò)展第四軸，由專用數(shù)控系統(tǒng)集成控制，價(jià)格高昂，且控制系統(tǒng)復(fù)雜、集成度高，需要配套購(gòu)買(mǎi)液壓系統(tǒng)和專用控制系統(tǒng)等配套附件，不便單獨(dú)采購(gòu)。因此，引進(jìn)高精度數(shù)控分度頭費(fèi)用高且存在適應(yīng)性問(wèn)題，無(wú)法滿足一般用途的高精度角度分度計(jì)量使用。

為實(shí)現(xiàn)分度頭的自動(dòng)分度和角度測(cè)量，在滿足高精度指標(biāo)要求下，本文提出了角度量自動(dòng)分度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)上海理工大學(xué)研制的SJJF型數(shù)顯手動(dòng)分度頭（角度分辨力為0.1″，示值誤差為1″）進(jìn)行數(shù)控化改造。

1 SJJF型數(shù)顯分度頭

SJJF型數(shù)顯分度頭主軸回轉(zhuǎn)精度高，配備了分辨力為0.1″光柵測(cè)角數(shù)顯裝置。分度頭主軸上安裝了21600等分刻線的角度度/分值光柵計(jì)數(shù)裝置（簡(jiǎn)稱“主光柵”，主要部件為刻線圓光柵和指示光柵，角度分辨力為1′，即1角分）和800等分刻線的角度秒值光柵計(jì)數(shù)裝置（簡(jiǎn)稱“副光柵”，其工作中實(shí)際行程3/4周，角度分辨力為0.1″）。通過(guò)設(shè)計(jì)的彈性測(cè)微機(jī)構(gòu)可將“主光柵”上任意一個(gè)代表1′的光柵刻線間隔的角度量細(xì)分放大60倍，轉(zhuǎn)化為“副光柵”60.0″的角度量。

表1 多面棱體與自準(zhǔn)直儀檢驗(yàn)方法定位示值誤差檢定結(jié)果Tab.1 Verification results of positioning MPEE of polyhedron and auto collimator inspection method

1.1 彈性測(cè)微機(jī)構(gòu)

彈性測(cè)微機(jī)構(gòu)［1］是一種由機(jī)械細(xì)分裝置及彈性鼓裝置等組成的機(jī)械測(cè)微機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。彈性鋼片材料的切向形變量與外力成正比，端面凸輪旋轉(zhuǎn)通過(guò)壓力彈簧對(duì)彈性鼓下片施加外力，彈性鋼片扭轉(zhuǎn)形變引起彈性鼓下片作微量轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)具有一定剛性比的彈性鋼片，使端面凸輪轉(zhuǎn)過(guò)角度270°（1°為1角度），螺旋面的升程為6 mm，彈性鼓下片帶動(dòng)指示光柵相對(duì)刻線圓光柵作1′的同軸旋轉(zhuǎn)。該彈性測(cè)微機(jī)構(gòu)將此1′微動(dòng)量通過(guò)端面凸輪機(jī)械放大，轉(zhuǎn)換成端面凸輪270°的角度旋轉(zhuǎn)量，從而達(dá)到1′角度進(jìn)一步細(xì)分的目的。該型分度頭采用彈性測(cè)微機(jī)構(gòu)機(jī)械細(xì)分的方法，角度分辨力達(dá)0.1″。

圖1 彈性測(cè)微機(jī)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of elastic micrometer

1.2 光柵疊加計(jì)數(shù)、信號(hào)辨向與分度操作方法

疊加計(jì)數(shù)的“主光柵”和“副光柵”光柵計(jì)數(shù)裝置的計(jì)數(shù)原理相同：由光柵信號(hào)裝置產(chǎn)生相位差90°的兩相模擬正弦波信號(hào)（計(jì)數(shù)信號(hào)和辨向信號(hào)），經(jīng)整形整流、觸發(fā)門(mén)電路處理形成短脈沖信號(hào)，分別送到數(shù)顯處理電路中的可逆計(jì)數(shù)器和邏輯門(mén)電路進(jìn)行加減計(jì)數(shù)和辨向。

“主光柵”的光柵信號(hào)數(shù)字化信號(hào)處理設(shè)計(jì)中，計(jì)數(shù)信號(hào)電壓幅值為0 V時(shí)，計(jì)數(shù)光柵的指示光柵與刻線圓光柵位于1/4刻線間隔位置，主光柵處于光柵刻線對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)，該位置稱為過(guò)零點(diǎn)。同步的辨向信號(hào)的電壓幅值為負(fù)半周期內(nèi)時(shí)，計(jì)數(shù)信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)為“對(duì)零點(diǎn)”，此時(shí)可稱為“‘主光柵’光柵對(duì)零”（簡(jiǎn)稱“光柵對(duì)零”）狀態(tài)。為此，設(shè)計(jì)了邏輯控制門(mén)電路，當(dāng)辨向信號(hào)經(jīng)方波整形后電平為正時(shí)，門(mén)電路關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止加減計(jì)數(shù)。

在分度頭角度分度操作前，需順時(shí)針旋轉(zhuǎn)測(cè)微手輪（該手輪由行星減速齒輪機(jī)構(gòu)軸聯(lián)接在彈性測(cè)微機(jī)構(gòu)凸輪軸另一端），通過(guò)彈性測(cè)微機(jī)構(gòu)帶動(dòng)“主光柵”的指示光柵微轉(zhuǎn)至相對(duì)其刻線圓光柵1/4刻線間隔位置（即對(duì)零點(diǎn)位置，稱為雙光柵疊加計(jì)數(shù)起點(diǎn)位置），此時(shí)光柵數(shù)顯表顯示面板上的對(duì)零指示燈亮且指針式對(duì)零表指零，按動(dòng)光柵數(shù)顯表清零鍵將角度數(shù)顯清零。角度分度過(guò)程中，先逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)上述測(cè)微手輪，“副光柵”同步旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)，直到光柵數(shù)顯表“xxx”秒值數(shù)顯達(dá)到分度目標(biāo)秒值；再轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接（蝸輪蝸桿副傳動(dòng)方式）在分度頭主軸上的分度粗調(diào)手輪進(jìn)行角度度分值分度，主軸上“主光柵”的刻線圓光柵同步旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)，直到光柵數(shù)顯表的“xxx°xxx′”數(shù)顯值達(dá)到分度目標(biāo)度/分值；最后同向轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接（減速齒輪傳動(dòng)方式）在分度粗調(diào)手輪上的分度細(xì)調(diào)手輪，直至對(duì)零指示燈再次點(diǎn)亮且指針式對(duì)零表指零，完成一個(gè)目標(biāo)角度值的分度操作。

2 SJJF型分度頭數(shù)控改造

2.1 數(shù)控改造功能與精度指標(biāo)要求

使用SJJF型分度頭開(kāi)展某發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)測(cè)試車臺(tái)用角位移傳感器的角位移量與電壓幅值間線性度、靈敏度等電氣參數(shù)校準(zhǔn)工作。校準(zhǔn)要求角位移傳感器正反向每間隔10°進(jìn)行角度分度并記錄電壓幅值，單向最少測(cè)量11個(gè)點(diǎn)位，正反向重復(fù)測(cè)量3次，共計(jì)66個(gè)測(cè)量點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)位校準(zhǔn)時(shí)需要重復(fù)三步操作——對(duì)零、分度、再對(duì)零，一個(gè)完整的校準(zhǔn)過(guò)程用時(shí)約1.5 h。因測(cè)量點(diǎn)較多，存在校準(zhǔn)效率低、操作易出錯(cuò)和測(cè)量結(jié)果一致性差等問(wèn)題。為解決手動(dòng)分度頭使用中出現(xiàn)的問(wèn)題，滿足自動(dòng)化校準(zhǔn)需求，對(duì)SJJF型數(shù)顯分度頭進(jìn)行自動(dòng)分度數(shù)控改造，從而實(shí)現(xiàn)快速、自動(dòng)、連續(xù)分度。結(jié)合角位移傳感器校準(zhǔn)精度要求［1］和分度頭原有精度，確立制定分度頭數(shù)字化控制系統(tǒng)的精度設(shè)計(jì)指標(biāo)：角度示值分辨力為0.1″，定位誤差為± 4″，回零誤差為± 4″。

2.2 自動(dòng)分度數(shù)控改造基本思路

為達(dá)到上述高精度數(shù)控改造指標(biāo)要求，需保留原影響分度示值精度（主軸回轉(zhuǎn)精度、彈性測(cè)微裝置安裝精度和光柵裝置安裝精度）的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)精度，避免精度損失。傳動(dòng)裝置的長(zhǎng)期使用會(huì)造成一定程度的磨損，需重新設(shè)計(jì)傳動(dòng)裝置，并保證與驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)構(gòu)的適配安裝要求。實(shí)現(xiàn)角度的數(shù)字化自動(dòng)采集、顯示，需采用高采樣頻率的數(shù)字化采集電路對(duì)主、副雙光柵裝置輸出的光柵信號(hào)進(jìn)行采集，并通過(guò)程序算法實(shí)現(xiàn)主、副雙光柵疊加計(jì)數(shù)。以光柵裝置作為反饋信號(hào)設(shè)計(jì)閉環(huán)控制程序算法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分度閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)伺服裝置進(jìn)行快速分度定位。為保證角位移傳感器多次重復(fù)校準(zhǔn)時(shí)電氣零點(diǎn)位置的一致性，增加分度頭機(jī)械回原點(diǎn)動(dòng)作，設(shè)計(jì)機(jī)械回原點(diǎn)程序算法。

2.3 自動(dòng)分度控制方案

數(shù)控改造的關(guān)鍵是通過(guò)硬軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)角度自動(dòng)分度控制，控制方案設(shè)計(jì)如下：①分度前，分度頭完成機(jī)械回原點(diǎn)動(dòng)作，彈性測(cè)微機(jī)構(gòu)回原點(diǎn)；②執(zhí)行光柵對(duì)零指令，驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)至“光柵對(duì)零”狀態(tài)，計(jì)數(shù)器清零，作為分度起點(diǎn)；③將目標(biāo)角度值輸入數(shù)字控制器，由控制器發(fā)出角度秒值置位指令，驅(qū)動(dòng)彈性測(cè)微機(jī)構(gòu)凸輪軸旋轉(zhuǎn)，“副光柵”反饋角度秒值量送入控制器，通過(guò)程序算法閉環(huán)控制輸出，直至角度秒目標(biāo)值；④由數(shù)字控制器發(fā)出角度度/分值定位指令，驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，“主光柵”反饋角度度/分值量送入控制器，通過(guò)程序算法控制輸出，直到達(dá)到角度目標(biāo)度-分值；⑤再次執(zhí)行光柵對(duì)零指令，驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)定位至“光柵對(duì)零”狀態(tài)。

3 基于PLC的控制系統(tǒng)方案

PLC［4］作為專用數(shù)字控制器集成了多路高速脈沖計(jì)數(shù)和高速驅(qū)動(dòng)脈沖輸出功能，可以實(shí)現(xiàn)雙光柵角度計(jì)數(shù)信號(hào)采集以及分度頭主軸、彈性測(cè)微機(jī)構(gòu)凸輪軸電氣驅(qū)動(dòng)控制。

3.1 控制系統(tǒng)硬件方案

控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示?；赑LC的控制系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)為：數(shù)字控制器采用三菱FX型PLC［3］（集成了專用定位控制、脈沖中斷輸出控制指令，采用梯形圖結(jié)構(gòu)化編程，可簡(jiǎn)化控制功能軟件設(shè)計(jì)），伺服驅(qū)動(dòng)裝置采用臺(tái)達(dá)ASD-B2系列低慣量伺服驅(qū)動(dòng)器搭配ECMA系列電動(dòng)機(jī)；分度頭主軸傳動(dòng)裝置采用圓弧齒同步帶傳動(dòng)（高速級(jí)，設(shè)計(jì)傳動(dòng)比為1∶4）和蝸輪蝸桿副（低速級(jí)，設(shè)計(jì)傳動(dòng)比為1∶62）雙級(jí)傳動(dòng)；彈性測(cè)微機(jī)構(gòu)凸輪軸傳動(dòng)裝置采用圓弧齒同步帶（設(shè)計(jì)傳動(dòng)比為1∶3）一級(jí)傳動(dòng)。配備了人機(jī)交互控制硬件（Human Ma?chine Interface，HMI），通過(guò)與PLC的通訊接口進(jìn)行角度分度目標(biāo)值設(shè)定、角度模擬顯示，以及PLC閉環(huán)控制算法參量、定位控制參數(shù)的交互調(diào)試。

圖2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成Fig.2 Hardware structure of control system

3.2 自動(dòng)分度控制流程

以PLC作為控制單元［4］，通過(guò)集成的高速脈沖計(jì)數(shù)器模塊采集光柵角度計(jì)數(shù)信號(hào)，并與輸入角度目標(biāo)值比較，由閉環(huán)算法計(jì)算角度偏差量作為控制輸出量，由脈沖驅(qū)動(dòng)輸出模塊輸出控制脈沖，驅(qū)動(dòng)角度分度定位，控制流程如圖3所示。

圖3 控制程序的流程框圖Fig.3 Flow block diagram of control program

3.3 角度算法程序

采用GX Works2［5］梯形圖編程工具設(shè)計(jì)角度算法，運(yùn)用FX型PLC控制器集成的除法運(yùn)算指令DIV對(duì)高速采集到控制器內(nèi)部計(jì)數(shù)器的角度光柵計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)作六十進(jìn)制進(jìn)位運(yùn)算，由MOV數(shù)據(jù)傳送指令將度、分、秒顯示值分別存放在數(shù)字寄存器，再由HMI組態(tài)編程工具設(shè)計(jì)可視化交互操作界面，實(shí)現(xiàn)角度量模擬顯示、分度操作和控制參數(shù)調(diào)試設(shè)置。

3.4 PID控制算法程序

閉環(huán)控制算法（PID算法）數(shù)學(xué)模型為

式中：r（n）為設(shè)定值；u（n）為PID控制量；y（n）為輸出量；e（n）為輸入偏差；Σ［e（n）+e（n-1）］為偏差和；［e（n）-e（n-1）］為偏差變化；KP，KI，KD分別為比例、積分、微分系數(shù)［6］。

由PLC實(shí)現(xiàn)的角度定位PID算法如圖4所示，被控對(duì)象為分度頭旋轉(zhuǎn)軸，角度分度目標(biāo)值為輸入量，光柵計(jì)數(shù)信號(hào)角度反饋量為輸出量。

圖4 PLC實(shí)現(xiàn)PID算法框圖Fig.4 Block diagram of PID algorithm implemented by PLC

設(shè)計(jì)中分度頭主軸和彈性測(cè)微機(jī)構(gòu)凸輪軸分度置位均采用PID控制指令。PID指令［7］內(nèi)部控制邏輯為：?jiǎn)?dòng)定時(shí)器，減法運(yùn)算指令求得角度設(shè)定值與角度反饋量的偏差E（n）；當(dāng)偏差E（n）為正時(shí)，將偏差乘積分系數(shù)（初值為0），作為積分控制分量；由當(dāng)前偏差量E（n）減去上一個(gè)PID采集周期的偏差量E（n-1），得到偏差變化ΔE，并把當(dāng)前E（n）存入寄存器內(nèi)，PID指令運(yùn)算得角度控制量后輸出。

3.5 “光柵對(duì)零”狀態(tài)信號(hào)數(shù)字化采集電路設(shè)計(jì)

圖5 “光柵對(duì)零”狀態(tài)信號(hào)采集電路Fig.5 Acquisition circuit of "Zero Grating " signal

辨向信號(hào)電壓幅值為正、計(jì)數(shù)信號(hào)電壓幅值為0時(shí)“光柵對(duì)零”。計(jì)數(shù)信號(hào)電壓數(shù)字化采集采用窗口運(yùn)放比較器［8］進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)如通過(guò)分壓電阻設(shè)置一個(gè)0 V電平附近的小電壓閾值比較窗口［UL，UH］，比較計(jì)數(shù)信號(hào)輸入電壓Ui是否位于兩電壓閾值之間：當(dāng)UiUH，輸出Uo為高電平；當(dāng)UL

圖6 辨向信號(hào)電壓幅值采集電路Fig.6 Acquisition circuit of direction signal

3.6 光柵對(duì)零中斷停止程序設(shè)計(jì)

根據(jù)SJJF型分度頭雙光柵疊加計(jì)數(shù)工作原理和自動(dòng)分度控制設(shè)計(jì)方案需求，自動(dòng)分度前后均需完成“光柵對(duì)零”，為此設(shè)計(jì)了光柵對(duì)零中斷停止程序。PLC控制驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，由脈沖輸入模塊功能動(dòng)態(tài)捕捉3.5節(jié)數(shù)字化采集設(shè)計(jì)輸出的兩項(xiàng)“光柵對(duì)零”狀態(tài)信號(hào)，通過(guò)邏輯運(yùn)算指令，當(dāng)監(jiān)測(cè)光柵“對(duì)零狀態(tài)信號(hào)”有效時(shí)，置位停止標(biāo)志位軟元件［M8146］為1，控制輸出端Y004立即輸出中斷脈沖。PLC控制伺服驅(qū)動(dòng)器ZCLAMP信號(hào)端，驅(qū)動(dòng)鎖定電機(jī)［10］。

4 數(shù)控定位誤差檢驗(yàn)驗(yàn)收方法

數(shù)控改造后的車臺(tái)用角位移傳感器自動(dòng)分度校準(zhǔn)系統(tǒng)的部分實(shí)物如圖7所示。

圖7 自動(dòng)分度校準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)物Fig.7 Real object of automatic indexing calibration system

參考機(jī)械行業(yè)規(guī)范JB/ T11136 - 2011《數(shù)控分度頭》和國(guó)家檢定規(guī)程JJG 57 - 1999《光學(xué)、數(shù)顯分度頭檢定規(guī)程》，對(duì)數(shù)字化改造分度頭進(jìn)行分度定位精度評(píng)價(jià)。分別采用多面棱體和自準(zhǔn)直儀檢驗(yàn)方法、激光干涉儀檢驗(yàn)方法對(duì)角度定位示值誤差進(jìn)行檢查。

第一種檢驗(yàn)方法采用0級(jí)23面棱體和0.2″自準(zhǔn)直儀［11］。依次按23面棱體等分角度工作面檢測(cè)點(diǎn)位置自動(dòng)分度，正反轉(zhuǎn)各三個(gè)測(cè)回，讀取自準(zhǔn)直儀測(cè)量角度偏差讀數(shù)a。檢定結(jié)果如表1所示。經(jīng)數(shù)據(jù)處理和測(cè)量不確定度評(píng)定分析［12］，分度頭角度定位示值誤差為δ= max｛δ1，δ2，δ3｝ = 4.2″，重復(fù)誤差為3.4″。

第二種檢驗(yàn)方法采用Renishaw XL80激光干涉儀配合RX10回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)組件［14］。測(cè)量時(shí)，由Re?nishaw Rotary XL［15］測(cè)量軟件測(cè)得一組測(cè)量值，分度頭主軸自0°至360°反向轉(zhuǎn)回至0°、間隔30°自動(dòng)分度，重復(fù)測(cè)量三次。由Renishaw Analysis生成GB/T 17421.2 - 2000分析曲線［16］如圖8所示。通過(guò)測(cè)量分析曲線可得到正、反向的共計(jì)6組檢測(cè)定位精度的分布情況，并計(jì)算正、反向定位精度A+，A-與重復(fù)精度R+，R-以及合成定位精度A，此時(shí)定位示值誤差為0.00123°， 重復(fù)誤差為

圖8 GB/T17421.2-2000分析曲線Fig 8 GB/T 17421.2-2000 analysis curve

0.00102°。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于SJJF型數(shù)顯分度頭的角度量自動(dòng)分度控制系統(tǒng)改造方案在保證原有使用功能、機(jī)械精度前提下，通過(guò)自動(dòng)分度控制方案、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、信號(hào)數(shù)字化采集電路以及PLC控制程序算法的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了任意角度值或角度間隔連續(xù)自動(dòng)分度，定位示值誤差為4″。采用該方案開(kāi)展車臺(tái)用角位移傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)檢測(cè)，可節(jié)約70%時(shí)間，滿足其線性度、靈敏度、回程誤差和重復(fù)性等校準(zhǔn)精度要求，同時(shí)機(jī)械回原點(diǎn)的設(shè)計(jì)可提高角位移傳感器周期校準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果的一致性。分度頭的自動(dòng)分度和角度測(cè)量的實(shí)現(xiàn)，在工業(yè)自動(dòng)化分度儀器制造和角度參數(shù)的批量計(jì)量檢測(cè)方面具有重要意義。