高精度傳動鏈測量儀的研制

劉成芳 蘇麗潔

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

0 引言

眾所周知，雷達天線轉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行嚴格的精度檢測。傳動鏈測量儀是常用的齒輪箱精度檢測工具。隨著機械加工工藝的進步和工業(yè)化生產(chǎn)要求的提高，傳統(tǒng)的測量手段已經(jīng)遠遠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，遠遠不能滿足雷達天線轉臺齒輪箱的精度要求;而采用人工光學的檢測方法雖然可達到較高的精度，但是測量效率低下。②由于雷達產(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，并結合實際工作需求，設計了精度高、操作簡單、穩(wěn)定度好和通用性強的傳動鏈測量儀。

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)字轉換，同時具有零點校正功能以及角度的十進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)不同的測量需求調整所需的坐標系。

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柜、工控機主機、顯示器、光電增量式編碼器、伺服電機、伺服電機驅動器、電機運動控制卡等組成。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

測量儀的伺服電機選用三菱的HC-KFS13。該電機自身帶有編碼器，通過將該編碼器設置為位置檢測模式，最高采集精度可以達到每周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，通過將該編碼器設置為差分采集模式，最高采集精度可以達到每周144 000個脈沖，滿足輸出軸的精度要求。

電機運動控制卡選用PISO-ENC300。該板卡具有電機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發(fā)送來的角度量信息。伺服驅動器選用三菱的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動。同時，HCKFS13采集輸入軸的角度值送至PISO-ENC300，以實時讀取當前的輸入軸角度量。根據(jù)設置的傳動比，輸入軸帶動輸出軸轉動，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)采集模塊和電機控制模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊由電機運動控制卡、伺服電機和編碼器組成。外部編碼器采集輸出軸的脈沖信號送給數(shù)據(jù)采集卡，伺服電機內的編碼器采集輸入軸的脈沖信號送給電機運動控制卡。系統(tǒng)通過采用高精度的板卡和編碼器，保證了系統(tǒng)的高精度和準確率。電機控制模塊由伺服驅動器、伺服電機和電機運動控制卡組成。電機運動控制卡發(fā)送模擬電壓量經(jīng)伺服驅動器控制電機運動，實現(xiàn)了對伺服電機的閉環(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行處理，實時顯示角度值和角度誤差;并相應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)，當輸出軸的角度到達采集點時，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行處理，顯示齒輪箱齒輪間的角度間隙，并繪制相應的齒隙誤差曲線。

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)，當輸出軸的角度到達采集點時，檢測輸入軸的角度并記錄;然后控制電機繼續(xù)沿同一方向前進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，可以調整所需的坐標系，以適應不同的齒輪箱的測量需求。

3.4 數(shù)據(jù)存取與調用模塊

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、調用、繪制，也可以拷貝至其他計算機進行數(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動電機運動控制卡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，所以要分別調用以下兩個通道的采集函數(shù)。

對電機的控制，包括正轉、反轉、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 結束語

高精度傳動鏈測量儀是為檢測高精度齒輪箱而設計的，本文通過使用可靠的電機運動控制卡和高精度編碼器，達到了運動控制和數(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］。實際檢測和應用表明，高精度傳動鏈測量儀運行平穩(wěn)，雷達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。該儀器的設計方法和開發(fā)步驟對其他控制系統(tǒng)的設計和研制也具有很好的參考價值。

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