（模式识别与智能系统专业论文）直接驱动伺服系统在齿轮测量中心上的应用研究.pdf

哈尔滨理下大学- t 学硕一 j 学位论文 直接驱动伺服系统在齿轮测量中心上的应用研究 摘要 齿轮测量中心是实现齿轮全参数测量的数控仪器。为进一步提升仪器性 能、研发新型产品、跟踪国外的先进技术，采用直接驱动技术是必然趋势。 直接驱动技术就是电机不经过任何传动链直接驱动负载，具有系统响应快、 灵敏度高、随动性好、速度和位置精度高等优点。 论文研究的工作是将直接驱动技术应用于伺服系统，从而对仪器的数控 系统进行改进，提升现有型号仪器的性能，并为将来研发可测量更大惯量齿 轮的新型仪器打下理论与实践的基础。 论文首先对直接驱动技术的发展现状进行综述，分析了现有仪器数控系 统的组成、结构和控制性能要求，就当前控制系统存在的不足，提出了基于 直接驱动技术的仪器数控系统的方案，在直线轴上使用直线电机( d d l ) 消除 传动链的误差，提高测量精度。在旋转轴上使用直接驱动电 0 l ( d d r ) 大幅提 升被测齿轮的负载惯量，提高旋转轴的低速运行平稳性能。然后研究可实现 d d l 和d d r 电机控制的伺服控制卡的原理和使用方法，设计并实现了直接 驱动伺服系统，分析了伺服驱动器中的控制算法，对驱动器内部参数和负载 惯量等外部参数进行辨识，建立了d d l 电机轴和d d r 电机轴的控制系统 数学模型并进行系统仿真。再后编写板卡上运行的控制程序，并开发了一套 用于w i n d o w s 下访问控制卡的接口函数库，提出了一种实现w i n d o w s 下访问p c i 设备的方法。最后对伺服系统的实际控制性能和整机测量性能 进行了实验验证。论文分析了各控制参数对系统的影响，给出了系统最终能 够达到的性能指标，并提出了两种在系统惯量大范围变化的情况下保持系统 稳定的方法。 关键词直接驱动；伺服；控制系统；齿轮测量；跟踪误差 哈尔滨理t 大学t 学硕f ：学位沦文 r e s e a r c ho n a p p l i c a t i o no f d i r e c td r i v ef o rg e a r s e r v os y s t e mm e a s u r i n gc e n t e r a bs t r a c t g e a rm e a s u r i n gc e n t e ri sak i n do fn u m e r i c a lc o n t r o li n s t r u m e n tw h i c hi s u s e df o rm e a s u r i n ga l lt h ep a r a m e t e r so fg e a r t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e ， d e v e l o pn e ws t y l ei n s t r u m e n ta n df o l l o wf o r e i g na d v a n c e dt e c h n o l o g y ，d i r e c t d r i v et e c h n o l o g ym u s tb eu s e dt ot h es e r v os y s t e mo fg e a rm e a s u r i n gc e n t e r d i r e c td r i v et e c h n o l o g yb r i n g ss e r v os y s t e mz e r om a i n t e n a n c e ，c l e a nm e c h a n i c a l a s s e m b l y ，i m p r o v e da c c u r a c y ，h i g h e rt h r o u g h p u t ，b e t t e rr e l i a b i l i t y ，a n ds m o o t h ， q u i e to p e r a t i o n t h ed i s s e r t a t i o nd e s i g n e dd i r e c td r i v es e r v os y s t e mf o rg e a rm e a s u r i n g c e n t e r ，i m p r o v e d t h e p e r f o r m a n c eo ft h e n u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m ，m a d e f o u n d a t i o nf o rd e v e l o p i n gn e ws t y l ei n s t r u m e n t sw h i c hc a nm e a s u r em u c hl a r g e r g e a r sa n da c h i e v eh i g h e rp r e c i s i o n f i r s t ，t h ed i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e dt h e a c t u a ls t a t eo ft h ed i r e c td r i v e t e c h n o l o g y ，a n a l y z e d t h ec o n s t r u c t i o na n dc o n t r o lp e r f o r m a n c eo fe x i s t i n g i n s t r u m e n t ，p r e s e n t e dt h eg e n e r a lp l a n n i n gb a s e do nd i r e c td r i v et e c h n o l o g y ，u s e d d d lm o t o ro nt h el i n e a ra x i st oe r a s et h ee r r o ro ft r a n s m i s s i o nc h a i na n d i n c r e a s em e a s u r i n gp r e c i s i o n ，u s e dd d rm o t o ro nt h er o t a r ya x i st oi n c r e a s et h e f e a s i b l es y s t e ml o a da n di m p r o v et h e l o w - s p e e dp e r f o r m a n c e s e c o n d ，t h e d i s s e r t a t i o nm a d es o m er e s e a r c ho nt h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no fs e r v o c o n t r o l l e r ，d e s i g n e da n dd e v e l o p e dt h ed i r e c td r i v es e r v os y s t e m ，a n a l y z e dt h e c o n t r o la l g o r i t h mi ns e r v od r i v e r ，i d e n t i f i e dt h es y s t e mp a r a m e t e r s ，e s t a b l i s h e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fd d la n dd d rs e r v os y s t e ma n dm a d es y s t e m s i m u l a t i o n t h i r d ，t h ed i s s e r t a t i o np r o g r a m m e dp r o g r a m sr u n n i n g o nt h e c o n t r o l l e ra n daf u n c t i o nl i b r a r yf o ra c c e s s i n gt h ec o n t r o l l e r ，p r e s e n t e dam e t h o d f o ra c c e s s i n gp c id e v i c ei nw i n d o w ss y s t e m a tl a s t t h ed i s s e r t a t i o nd i d e x p e r i m e n tt og e tt h ea c t u a lc o n t r o lp e r f o r m a n c es u c ha sc o n t r o lp r e c i s i o na n d f o l l o w i n ge r r o r ，a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fe v e r yp a r a m e t e r t ot h ec o n t r o ls y s t e m ， l l 哈尔演理_ t 人学t 学硕1 j 学位论文 s t a t e dt h ef i n a lc o n t r o lp e r f o r m a n c e ，a n dp r e s e n t e dt w om e t h o d st h a tk e e ps y s t e m s t a b i l i t yo nt h el o n g - r a n g ev a r i a t i o no ft h es y s t e ml o a d k e y w o r d s d i r e c td r i v e ，s e r v o ，c o n t r o ls y s t e m ，g e a rm e a s u r i n g ，f o l l o w i n ge r r o r i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文直接驱动伺服系统在齿 轮测量中心上的应用研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注 明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献 的个人和集体，均在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将由本人承 担。 作者签名鳓眺珈。7 年乡月叫日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 直接驱动伺服系统在齿轮测量中心上的应用研究系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究 成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位名义发表。 本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈 尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用授权书。 不保幻。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：委酝够娟 刷磁锄茎掺蝣， 同期： 日期： 岁月刁日 乡月才日 呛尔滨理t 大学丁学硕十学位论文 1 1 课题背景 第1 章引言 课题来源于哈尔滨精达测量仪器有限公司的在研项目，主要内容是将直接 驱动技术应用于齿轮测量中心的伺服系统，目前进行技术改进的仪器是j d 4 5 型齿轮测量中心。 直接驱动技术就是取消了电机轴和负载工作台之间的所有传动环节，将电 机的力矩、速度、位置直接传递给负载，使得机床进给传动链的长度为零f l 】。 这项技术的执行元件主要有直接驱动直线电机( d d l ：d i r e c td r i v el i n e a r ) 和直 接驱动旋转电机( d d r ：d i r e c td r i v er o t a r y ) 。 精达公司的主要产品是齿轮测量中心，现有的齿轮测量中心型号有 j d 2 6 、j d 2 6 + 、j d 4 5 、j d 4 5 + 、j d 6 5 、j a 8 0 、j a l 0 0 。仪器可在测量工件一次 装卡的情况下自动完成多项参数的测量，适合渐开线圆柱齿轮( 多联齿轮、内 齿轮等) 、齿轮刀具( 滚刀、剃齿刀等) 的齿形误差( 渐开线) 、齿向误差( 螺旋 线) 、齿距偏差( 周节) 、齿距累计误差、齿圈径向跳动等参数的测量，并可扩展 蜗轮、蜗杆、弧( 直) 齿锥齿轮等测量功能，可最大限度地满足摩托车、汽车及 其它齿轮制造行业对齿轮检测的要求。其各型号性能参数如表1 1 所示。 表1 1 精达公司齿轮测量中心的性能参数表 t a b l el 1p e r f o r m a n c ep a r a m e t e rt a b l eo fj i n g d ac o m p a n yg e a rm e a s u r i n gc e n t e r 仪器参数 j d 2 6j d 2 6 +j d 4 5j d 4 5 +j d 6 5 被测齿轮模数o 5 1 5 0 5 一1 5 1 2 01 2 0 1 2 5 被测齿轮最大外径( 瑚m ) 2 6 03 0 04 5 05 0 06 5 0 主轴两顶尖距离( n u n )1 0 一6 2 01 0 一6 2 0 l 伊一7 0 0l 俨一1 0 0 01 0 _ 一1 0 0 0 垂直测量最大行程( n u n ) 3 5 03 5 03 8 03 8 04 0 0 可测齿向角范同( 度)伊_ 9 0伊一9 0一9 0伊一9 0一9 0 最大t 件苇量( k g ) 15 01 5 03 0 03 0 04 0 0 齿轮测量中心是一种用于齿轮测量的数控仪器，图1 1 所示为j d 4 5 型齿 轮测量中心的结构示意图。 哈尔滨理丁人学t 学硕l ：学位论文 其各部件说明如下： 铸铁床身；回转主轴运动( c 轴) ；切向运动( x 轴) ；轴向运动( z 轴) ；径向运动轴) ；测头【2 i 。 上颈炎 i 零住援l f 嚣 3 2 图1 - l 齿轮测量中心结构示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fg e a rm e a s u r i n gc e n t e r 切向运动是指垂直纸面的运动，轴向运动是指上下运动，径向运动是指左 右运动。机械运动部分由、三个方向的直线轴和回转主轴组成。四 个坐标轴分别由各自的伺服电机驱动，通过控制卡的运动规划实现四轴联动。 三个直线导轨上分别装有长光栅，主轴上同轴安装有一个圆光栅，用来测量各 轴的位置。被测量工件安装在c 轴上，随c 轴一起转动。测头是一个微位 移传感器，安装在径向y 轴上。 齿轮测量中心由机械系统、数控系统、测量系统组成【3 4 ，5 1 。工作过程是： 数控系统通过四个坐标轴的运动控制实现齿轮测量中心的测量运动，运动中测 头相对于被测工件的运动轨迹可以看作是理论轨迹，所以测头的示值就是被测 廓形的误差。测量系统在运动的过程中对同一时刻的测头电感示值和各轴位置 信号进行采样，获取齿轮的误差信息，并输出测量结果。 j d 4 5 型齿轮测量中心的机械结构布局如下：主轴采用立式结构，便于装 夹各种工件；三个直线轴采用了切向、轴向和径向自下而上的层叠方式，将在 2 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 齿轮测量中对精度影响较小的切向轴放在最底层，有利于保证测量精度。将径 向y 轴放在最上层，在进行齿距测量时，快速往复运动的部件少，机械惯量 小，有利于提高测量效率和精度。在机械系统的精度方面，轴系回转精度和直 线轴导轨的导向精度最为重要，同时采用误差修正技术来进一步保证精度t 6 7 l 。 数控系统结构采用的是p c + n c 的数控系统构架。即采用上下位机的方 式，把控制运动的部分做成板卡，通过接口与上位机通讯从而实现运动控制。 因此在应用层面上形成了上位计算机控制卡驱动器执行电机 传动机构最终执行部件这样一种数控系统体系。如图1 2 所示，上位计算 机给控制卡发运动控制指令，控制卡进行运动规划从而同时给四轴驱动器发位 置控制脉冲，驱动器实现单轴的三环控制和功率放大直接控制电机运动。j d 4 5 型齿轮测量中心采用了基于脉冲增量方式的伺服系统，反馈部件为光栅编码 器，电机为永磁交流同步电机。 单轴 三闭环控制 图1 - 2 数控系统结构不意图 f i g 1 - 2c n cs y s t e ma r c h i t e c t u r ed i a g r a m 测量系统包括测量软件和硬件部分。 测量软件主要实现了上层的测量流程控制，后期数据处理以及最终的数据 评值和显示输出。不同的流程控制可以实现对多种类型的工件进行测量，包括 各种齿轮、齿轮刀具、凸轮等。后期数据处理是对采集的误差信号进行数学上 的计算处理，达到滤除误差提高精度的目的。数据评值输出是测量流程的最后 一道工序，对误差信号按照某种标准( 比如国标、德国d i n 标准) 进行评值，并 打印报告单提供给用户。因此当机械结构和控制系统定型后，软件开发一方面 要不断扩大应用范围，增加新的测量功能，提供更加友好的用户界面；另一方 1 哈尔滨理_ t 大学t 学硕十学位论文 面，测量结果误差分析、随机误差补偿、齿轮动态性能仿真、测量结果表述等 也对齿轮测量中心的发展有重要作用。 硬件部分包括电感测头、光栅、模拟信号处理电路、数字信号采集电路。 电感测头是一种微位移传感器，示出了被测廓形的误差信号；模拟信号处理电 路是针对测头输出信号进行处理并转化为1 2 位的数字量，这个部分的性能好 坏将直接对测量结果产生影响；数字信号采集电路是用于处理光栅信号，并且 采集各轴的光栅计数器值和数字化的测头输出信号。 1 2 直接驱动技术的发展现状 直接驱动技术就是电机不经过任何传动链直接驱动负载。它的特点是：系 统快速响应、灵敏度高、随动性好：速度和位置精度高；结构紧凑、可靠性 高、维护简便；转矩( 推力卜电流特性的线性度好；运动安静、噪声低。 直接驱动技术的核心是执行机构直接驱动电机。从运动方式上分为直 线电机( d d l 电机) 和旋转电本) l ( d d r 电机) 两种。 1 2 1d d l 电机 直线电机在外形和传动方面与普通电机有很大差别，打破了传统的滚珠丝 杠传动结构，电机动子直接输出直线运动。如图1 3 所示，设想把一台旋转运 动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应电动 机。在直线电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机转子 的，叫次级。初级中通入三相交流电，会在气隙中产生沿直线方向平移的磁 场，称为行波磁场。次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动。这时初级 要做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，而次级则不需要那么长。实际 上，直线电机既可以把初级做得很长，也可以把次级做得很长；既可以初级固 定、次级移动，也可以次级固定、初级移动【8 】。 由于直线电机与旋转电机的这种对应关系，因此每种旋转电动机都会有其 相应的直线电动机。但是并不是每一种理论上的直线电机技术都有其实际的应 用价值。 直线电机主要可以分为直线直流电动机、直线感应电动机、直线同步电动 机、直线步进电动机、直线压电电动机、直线磁阻电动机。目f j i 生产和使用比 4 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 a 子 ) 欢级 b ) 初缓 图1 3 旋转电机与直线电机的关联示意图 f i g 1 - 3r o t a r ym o t o ra n dl i n e a rm o t o r c o r r e l a t i o nd i a g r a m 较广泛的是直线感应电动机和直线同步电动机。直线同步电动机虽然比感应式 直线电机工艺复杂、成本较高，但是效率较高、次级不用冷却、控制方便，更 容易达到要求的性能。因此随着钕铁硼( n d 、f e 、b ) 永磁材料的出现和发展， 永磁同步电机己成为主流。在数控设备等需要高精度定位的场合，基本上采用 的是永磁交流直线同步电动机。 直线电机伺服系统的优点主要表现在以下几个方面【9 1 ： 1 结构简单。由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装 置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地下降。 2 定位精度高。在需要直线运动的地方，直线电机可以实现：直接传动， 因而可以消除中间坏节所带来的各种定位误差，故定位精度高。 3 反应速度快、灵敏度高，随动性好。直线电机容易做到其动子用磁悬 浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除 了定、动子间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随 动性。 4 工作安全可靠、寿命长。直线电机可以实现无接触传递力，机械摩擦 损耗几乎为零，所以故障少，免维修，因而工作安全可靠、寿命长。 同时也具有如下缺点【l o 1 1 l ： 1 直线电动机端部磁场的畸变影响到波磁场的完整性，使直线电动机损 耗增加，推力减小，而且存在较大的推力波动，这就是直线电动机特有的“端 部效应( e d g ee f f e c t ) 。这是不可避免的。 2 直线电机固有的缺点是效率低，功率损耗可能超过输出功率的5 0 ， 这主要是因为直线电机的气隙比旋转电机要大( 2 3 倍) 。 5 哈尔滨理下人学t 学硕f j 学位论文 3 效率低会导致大量发热。并且直线电机用于机床时，通常只能安装在 机床的内部，散热比较困难，严重时会引起导轨的热变形。应根据实际情况需 要增加一些冷却措施。 4 永磁直线电机次级的强磁力影响装配和吸铁屑问题。必要时需要加隔 磁防护措施。 5 单边型直线电机在初级和次级之间会产生法向磁吸力，其数值大约是 推力的1 0 倍左右。双边型的直线电机则不会存在这个问题。 1 2 2d d r 电机 d d r 电机主要分为三类：直流力矩电动机、永磁同步电动机、变磁阻电 动机。它们在原理上都与普通控制电机类似，分别对应直流伺服电机、永磁同 步电机、步进电机。区别在于为了得到高转矩和低转速，通常设计为长径比较 小的圆盘状结构，但同时由于低转速，会带来转矩波动、速度波动、发热量大 等问题。这些性能指标都与电动机的制造工艺相关，因此提出了d d r 电机应 具备的特性： 1 输出转矩大； 2 转矩脉动低； 3 效率高； 4 转矩特性的线性度好； 5 转矩重量比大； 6 发热少。 针对上述提出的特性，变磁阻电机由于磁阻变化必然导致转矩脉动，影响 运动的平稳性。直流力矩电机与直流电机一样，转矩脉动和速度波动小，线性 度高，但是电刷和散热性是其固有的缺点。永磁同步电机借助现有的转子位置 检测装置和现代矢量控制技术，使得旋转磁场的定向矢量保持与永磁体的定向 矢量垂直，可以达到与直流电机相同的性能，避免了电刷带来的问题，并且转 子上无电流，大大提高了散热性能，减小了电机体积【l 2 1 。 1 3 课题研究的目的及意义 表1 1 所示的精达公司生产的齿轮测量中心目前采用的数控系统是基于普 通的交流伺服系统。x 、y 、z 三个直线轴采用的是松下交流永磁同步电机+ 滚 珠丝杠的方式，将旋转运动转化为直线运动。旋转轴c 轴是采用的松下交流永 6 哈尔滨理t 人学- t 学硕 ：学位论文 磁同步电机直接驱动。这样的数控系统对于现有的仪器型号是可以满足基本的 测量要求的。但是若要进一步提升仪器的测量性能或是开发可以测量更大直径 和重量的齿轮的新型号仪器，直线轴和旋转轴上所采用的伺服系统都存在无法 克服的问题，成为了仪器性能的瓶颈。 在直线轴上，伺服电机通过滚珠丝杠传动驱动负载，必然会把丝杠误差带 入齿轮测量误差中。即使在上位机的数据处理软件中可以通过对四轴光栅位置 的同时采样对丝杠造成的测量误差进行补偿，但是补偿也只能在一定程度的范 围内减小误差，测量结果仍然会受到影响。并且丝杠误差和齿轮误差的频谱混 在一起，无法用数字信号处理的办法滤除。另一方面由于滚珠丝杠的刚度较 低，容易产生弹性变形，使得伺服系统的调整比较困难，提高比例增益容易引 起系统振荡，限制了系统的快速响应性能；弹性变形会使系统产生一定程度的 滞后，尤其在加速阶段，系统的滞后会达到2 5 0 0 左右个脉冲( 1 m m = 1 0 0 0 0 个脉 冲) ，这样大的跟踪误差甚至会导致测头示值超出量程，同时在恒速运动时也 表现出较大的跟踪误差，增加了测量的不确定性，滚珠丝杠成为仪器性能的瓶 颈。 在旋转轴上，由于松下伺服电机良好的低速性能，可以用于直接驱动。但 是其所带负载有限。目前j d 4 5 型齿轮测量中心上安装的足松下最大功率的伺 服电机，仪器可测齿轮的最大直径为5 0 0 m m ，最大重量为3 0 0 k g 。若要测量 更大尺寸和重量的齿轮，在同样的驱动电机条件下，必须要降低运动加速度， 但是加速度过低是仪器无法容忍的。所以要开发可测量更大直径和重量的齿轮 的新型仪器，主轴电机的驱动转矩必须提高。精达公司j 下在研制的j d l 0 0 t 型 齿轮测量中心可测齿轮直径达到1 0 0 0 m m ，原先的主轴电机无法正常驱动。 因此，在直线轴上使用d d l 电机可以完全去除传动环节，消除传动链的 误差，大大减小系统的跟踪误差，降低测量的不确定性，提高测量精度和稳定 性。在旋转轴上使用d d r 电机可以满足大驱动转矩的需求，并且其低速运行 平稳性能比普通电机要高得多。 1 4 论文主要研究内容 本项目的研究内容是对齿轮测量中心的数控系统进行改进，使用直接驱动 伺服系统取代原先的交流伺服系统。主要分为以下几个方面： 1 数控系统总体方案设计，包括数控系统结构、电机选型、控制卡选型 等； 7 哈尔滨理丁人学t 学硕 ：学位论文 2 控制卡的应用研究，包括研究控制卡的功能、控制卡编程： 3 d d l 电机伺服系统搭建、建模、仿真与实验； 4 d d r 电机伺服系统搭建、建模、仿真与实验； 5 w i n d o w s 系统下操作控制卡的软件接口函数设计； 6 对采用直接驱动伺服系统的齿轮测量中心进行全面的实验研究，验证 搭建的伺服系统数学模型的j 下确性。 本课题选用的实验研究平台是精达公司的产品j d 4 5 型齿轮测量中心。在 j d 4 5 旋转轴上安装d d r 电机，目前先在惯量最大的x 直线轴上安装d d l 电 机，对技术改进方案的可行性进行相关的研究工作。 8 哈尔演理t 大学t 学硕i j 学位论文 第2 章齿轮测量中心数控系统方案设计与实现 本章主要说明基于直接驱动技术的齿轮测量中心数控系统的具体实现情 况。首先介绍了齿轮测量中心的系统结构，然后介绍了伺服控制卡的应用和伺 服驱动器的控制技术，最后说明了直接驱动伺服系统的具体实现情况。 2 1 齿轮测量中心系统结构 齿轮测量中心由机械系统、数控系统、测量系统组成，其中测量系统分为 测量硬件和测量软件两个部分。其总体结构如图2 1 所示。 机械系统采用层叠结构，x 轴( 切向，前后运动) 为最底层，z 轴( 轴向，上 下运动) 安装在x 轴上，y 轴( 径向，左右运动) 安装在z 轴上，因此x 轴惯量 最大，z 轴其次，y 轴最小。测头安装在y 轴靠近c 轴的端部。被测齿轮安装 在c 轴上。 数控系统作用是根据上位机发出的测量运动指令控制各轴的运动，实现测 头与被测齿轮的理论轨迹运动。本课题将主要对数控系统进行改进。 测量系统的硬件主要是测头、光栅、和信号采集卡。其主要作用是把同一 时刻各轴的位置数据和测头的误差数据传送给上位机，上位机软件对其进行数 据处理并输出测量结果报告单。目前实验阶段上位机的软件主要是基于 w i n d o w s 操作系统，测量功能r 趋完善，可在工件一次装卡的情况下自动完成 多项参数的测量，适合渐开线圆柱齿轮( 多联齿轮、内齿轮等) 、齿轮刀具( 滚 刀、剃齿刀等) 的齿形误差( 渐开线) 、齿向误差( 螺旋线) 、齿距偏差( 周节) 、齿 距累计误差、齿圈径向跳动等参数的测量，并可扩展蜗轮、蜗杆、弧( 直) 齿锥 齿轮等测量功能。精达公司也正在将测量软件从d o s 平台转移到w i n d o w s 平 台。由于现有的软件环境尚能满足测量需求，本课题没有对原有软件作较多的 改动。但是因为伺服控制卡的重新选型，对上位机与伺服控制卡的接口函数进 行了重新设计。 仪器的数控系统由伺服控制卡、各运动轴的驱动器和电机组成。数控系统 结构如图2 2 所示，上位机给控制卡发送运动目标，控制卡的主要功能是根据 上位机发送的运动目标进行轨迹规划，给各运动轴的驱动器分别发送脉冲位置 指令，各运动轴完成其单独的闭环控制。 9 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 图2 1 系统总体结构图 f i g 2 1o v e r a l ls y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m l o 哈尔演理丁人学t 学硕f j 学位论文 电 机 驱 动 信 号 图2 - 2 数控系统原理结构图 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r a lp a t t e r nr e c o g n i t i o no ft h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m 2 2 伺服控制卡应用研究 2 2 1 伺服控制卡选型及其特点 根据仪器的性能需求，选用的控制卡是美国p a r k e r 公司的a c r l 5 0 5 。 它的主要特点有： 1 基于p c i 总线，多任务操作系统； 2 四路步进或伺服位置信号输出( 步进输出最高频率为4 m h z ) ； 3 四路光栅信号输k ( 输入最高频率为3 0 m h z ) ； 4 4 8 个可编程的i o 口； 5 并行运行的1 6 个p r o g r a m 程序和8 个p l c 程序。 控制卡的核心是3 2 位d s p 微处理器芯片，型号为t m s 3 2 0 v c 3 3 ，运算精 度是6 4 位，用户内存和系统内存是5 1 2 k ，f l a s h 存储器是8 m ，操作系统为多 任务实时操作系统。 如图2 3 所示，控制卡与外界进行信号交换的共有五个接口，分别是p c i 接口、p 1 口、p 2 口、p 3 口、p 4 口。 p c i 接口完成控制卡与上位机的数据交换。上位机通过计算机的p c i 接口 向控制卡的双口r a m 存储器中写入数据，卡上的d s p 处理器芯片从双口 r a m 读取数据并进行相应的译码操作。 p 1 口连接控制卡与外部光栅位置反馈信号。主要性能指标是：供电电压 哈尔滨珲丁人学t 学硕i j 学位论文 p l p 2p 3 p 4 图2 - 3 控制g - 硬件结构图 f i g 。2 - 3c o n t r o lc a r dh a r d w a r es t r u c t u r ed i a g r a m 是5 v ；支持差分输出a b 、集电极开路和线驱动光栅信号；四细分辨向前的 最高输入频率为7 5 m h z 。 p 2 口的功能主要包括步进位置信号输出、模拟量输出和模拟量输入。主 要性能指标是：步进输出( s t e p p e ro u t p u t ) 为差动线驱动方式，输出频率为卜 4 m h z ；模拟量输出的电压范围是一l o v 斗1 0 v ，分辨率为1 6 位。 p 3 和p 4 口都是数字i o ，总共有4 8 个i o 口，可以配置为以下三种模 式：2 4 输入2 4 输出；1 2 输入3 6 输出；3 6 输入1 2 输出。高电平电压范围是 2 o v 一5 2 5 v ，低电平电压范围是0 o v 0 8 v t l 3 1 。 伺服控制卡的软件结构如图2 4 所示。其软件系统具备充分的灵活性，诸 如限位保护、摇杆控制等大多数功能都需要通过对卡编程实现，其实质就是上 位机通过p c i 接口对板卡的双口r a m 进行操作。这些操作主要是在 a c r v i e w 5 0 3 软件中进行。 控制卡的用户编程环境分为s y s 和p 木木( p l c 宰) 两个命令层。s y s 是系 统命令层，在s y s 提示符下运行的主要是整个系统的初始化命令，比较常用 的是c o n f i g 和d i m 。c o n f i g 的作用是配置系统所需要使用的资源，d i m 的作用是分配卡内各程序所占用的存储空间。在s y s 层下有平行的1 6 个 p r o g r a m 层( 如p 0 0 ) 和8 个p l c 层( 如p l c 0 0 ) ，分别对应于各自的p r o g r a m 和 p l c 程序。m a s t e r 是一组可以进行插补运动的轴，它包含有若干个s l a v e ，每 个s l a v e 对应一个a x i s ，每一个a x i s 都包含两个参数f e e d b a c k 和s i g n a l f e e d b a c k 是反馈器件，可以设置为任何一个光栅输入i z l ；s i g n a l 是输出器件， 可以设置为任何一个步进或伺服输出。 1 2 哈尔滨理下大学- t 学硕 ：学位论文 f ，p o o p o i i ； s y s p l c o 1 l： 【p l c 7 ， t 一卜is l a ? v e o 一一a 删x i s 叭o ( 蚕f e e d b a c k ：雾e n c 1 悯亿聃n 引一x i s 州咖a - 咖刚 i ，0 0 i 0 4 7 图2 _ 4 控制卡软件结构图 f i g 2 - 4s o f t w a r ea r c h i t e c t u r ed i a g r a mo fc o n t r o lc a r d m a s t e r 与p r o g r a m 是一一对应的关系，也就是每一个p 水牛 层只能控制一 组轴的插补运动。本课题的使用情况把四个轴设置成一个m a s t e r 为m a s t e r 0 ， 建立p 0 0 层与m a s t e r 0 的对应关系，在p 0 0 层下进行运动控制。 2 2 2 初始化配置 在j 下常使用控制卡之前，需要对卡进行一系列的初始化配置，包括运行模 式、硬件资源分配等。 第一步：在s y s 层下使用c o n f i g 命令配置步进输出、f o 等硬件资 源。 c o n f i gn o n es t e p p e r 4n o n en o n e ；设置使用卡上的四个步进输 出。 c o n f i gi oi n p u tp o s ；设置输入端口模式，逻辑值0 对应低电平。 c o n f i gi oo u tp o s ；设置输出端口模式，逻辑值0 对应低电平。 第二步：在s y s 层下使用d i m 命令为各程序分配内存空间。 c l e a r ；清除所有的内存分配。 d i mp r o g 01 0 0 0 ；为p r o g r a m 0 程序分配1 0 0 0 单位的内存空间。为每一 个需要的程序分配内存。 第三步：在p 0 0 层下使用a t t a c h 命令配置p r o g r a m 0 使用的硬件资源。 a t t a c hm a s t e r o ；连接p r o g r a m 0 和m a s t e r 0 。 a t t a c hs l a v e 0a x i s 0 ”c ”；把a x i s 0 分配给m a s t e r o ，命名为c 。 a t t a c hs l a v e la x i s l ”z ”；把a x i s l 分配给m a s t e r 0 ，命名为z 。 a t t a c hs l a v e 2a x i s 2 ”x ：把a x i s 2 分配给m a s t e r 0 ，命名为x 。 a t t a c hs l a v e 3a x i s 3 ”y ”；把a x i s 3 分配给m a s t e r 0 ，命名为y 。 1 3 喻尔演理丁人学t 学硕- 学位论文 a t t a c ha x i s 0s t e p p e r 0s t e p p e r 0 ；配置轴为开环步进输出方式，不 使用反馈器件和卡内闭环算法。 a n a c ha x i sls t e p p e r ls t e p p e r l ： a t t a c ha x i s 2s t e p p e r 2s t e p p e r 2 ；使用控制卡完成轨迹规划的功 能。 a t t a c ha x i s 3s t e p p e r 3s t e p p e r 3 ： e s a v e ；保存配置。 在完成了初始化配置之后，则可以在p 0 0 层用“c 1 0 ”、“x 2 0 ”等命令发 送运动控制指令。 2 2 3 软件使用情况 a c r l 5 0 5 控制卡为用户提供了充分灵活的使用空间，可以使用a c r v i e w 的编程环境编写p r o g r a m 程序和p l c 程序来实现所需要的功能。 这罩需要先说明一点，在此控制卡中，有两套运动体系，一个是m o v 命 令控制的插补运动，一个是j o g 命令控制的非插补运动即摇杆控制运动。这两 套体系的标志和控制位互不相关，因此在限位保护等涉及运动控制的编程时需 要综合考虑这两套运动体系的控制。 本课题需要编程实现的主要有以下几个问题： 1 硬件限位保护。硬件限位开关有效立即停止所有m o v 运动，同时要求 除去硬件限位有效的方向，其余方向的j o g 运动正常。 2 软件限位保护。与硬件限位要求一致，不同在于可以灵活改变限制条 件。 3 摇杆控制。通过摇杆操作各轴的运动，需要高速和低速两种选择。 4 测头保护。当误操作导致测头碰撞后，立即停- i 卜所有m o v 运动和轴j 下 方向的j o g 运动( 即导致测头碰撞的方向) ，接着向后退5 c m 。 5 复位流程控制。控制复位操作的过程，确定各轴的绝对坐标。 最终共使用了5 个p r o g r a m 程序和5 个p l c 程序，所有程序都下载至控制 卡的f l a s h 存储器并设置成在控制卡上电之后自动运行。各程序功能简述如 下： p r o g r a m 0 ：设置p p u ( 分辨率) 、v e l ( 速度) 、a c c ( j h 速度) 等初始化参数； 编写了各轴复位流程控制程序。 p r o g r a m l ：摇杆运动操作的高低速选择控制程序。 1 4 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 p r o g r a m 2 ：测头保护辅助控制程序。 p r o g r a m 3 ：软限位控制程序。在复位完成确定了系统绝对坐标后，可以通 过绝对坐标的比较任意设置各轴的运动范围。在达到软限位之后可以自动返回 非限位位置。 p r o g r a m 4 ：解决j o g 和m o v 两个运动体系的坐标统一问题。 p l c 0 ：硬软件限位程序。 p l c l ：摇杆操作控制程序。使用j o g 运动体系，用p l c 程序读取外部输 入i o 信号直接控制j o g 的控制位。 p l c 2 ：测头保护主控制程序。 p l c 3 - 与p r o g r a m 4 配合实现j o g 和m o v 的坐标统一。 p l c 4 ：可由外部操作标志位控制m o v 运动是否锁定j o g 运动( 即在进行插 补运动过程中是否允许摇杆控制运动) 。 2 2 4 硬件使用情况 p 1 口：为光栅反馈输入接口，由于没有在控制卡上实现电机的闭环控 制，因此没有使用。 p 2 口：用于四路步进位置脉冲输出。管脚1 和2 0 分别是s t e p 0 + 和s t e p 0 为0 通道的步进脉冲差分输出，管脚5 和2 4 分别是d i r 0 + 和d i r 0 ，为0 通 道的方向信号差分输出；管脚2 和2 1 分别是s t e p l + 和s t e p l ，管脚6 和2 5 分 别是d i r 0 + 和d i r 0 ；管脚3 和2 2 分别是s t e p 2 + 和s t e p 2 ，管脚7 和2 6 分别 是d i r 2 + 和d i r 2 ；管脚4 和2 3 分别是s t e p 3 + 和s t e p 3 ，管脚8 和2 7 分别是 d i r 3 + 和d i r 3 。 p 3 和p 4 口是控制卡的i o 口，具体使用定义如表2 1 所示： 外部操作标志位：可以通过修改卡内的标志位达到改变控制卡工作状态的 目的。这些标志位称为外部操作标志位，由控制卡内自行编写的程序定义，具 体情况如下： 15 1 、1 5 2 、1 5 3 ：分别控制x 、y 、z 轴复位。对1 5 1 置位后，开始x 轴 复位操作，复位完成后自动清除1 5 1 标志位。同理，1 5 2 标志位控制y 轴复 位，1 5 3 标志位控制z 轴复位。 1 7 1 ：m o v 锁定j o g 控制位。1 7 1 置位后，m o v 运动系统锁定j o g 系 统，即在进行m o v 指令运动时禁止j o g 运动操作。1 7 l 复位后取消锁定。 2 0 1 ：程序控制中止运动位。2 0 1 置位后，当前运动立即停止。 1 5 喻尔滨理丁大学t 学硕f ：学位论文 表2 - 1 控制矗的i o 定义 t a b l e2 1c o n t r o lc a r di od e f i n i t i o n 管脚号i o 编号名称作用 1i 0 2 3z l i m uz 轴止向限位开关信号 3i 0 2 2z l i m dz 轴负向限位开关信号 5i 0 2 lz h o mz 轴h o m e 开关( 零位) 信号 7i 0 2 0x l i m u x 轴止向限位开关信号 9i 0 1 9x l i