齿轮测量中心的全闭环系统设计

作为控制单元，交流伺服驱动器作为驱动机构，伺服电机作为执行机构，光栅及电感作为精密传感，数据采集卡作为位
移检测及数据采集，微型计算机通过 ＶＣ＋ ＋ 编程作为上位控制、数据处理及界面显示，从而实现齿轮测量中心的全闭环
交流伺服运动控制系统。
关键词：齿轮测量中心；全闭环控制；交流伺服；运动控制器
中图分类号：TP273
粒度检查，图片如图 2。
的加热温度过高、火次更多造成过热，锻比为 4、6 的试块
检查结果比较理想。
4结论
高温合金 GH2136 在锻造过程中形成的晶粒状态对
整个零件的使用性能有着重要的影响，通过试验和生产
E1（500×）
E2（500×）
E3（500×）
中的总结可以看出，为了得到良好借用的金相组织及晶
护，提供的简单易用的工具包，可以直接在编程环境中，
用 ACR9000 自带的 AcroBasic 语言编写并使控制器运
行，包括自动升降速处理、原点和限位开关等 I/O 信号的
采集与控制等。同时，ACR9000 还能够通过 10/100 Base-
T 以太网、USB2.0、串行接口、CANopen 等多种方式与计
京：机械工业出版社，2007：218.
（编辑 立 明）
!!!!!!!!!! 作者简介：贾锦虹（1974-），女，工艺工程师。
粗大，是用热处理方式无法改变的。E1 锻比较小，E5 锻造 收稿日期：2011-09-20
机械工程师 2012 年第 1 期 83
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（2）光栅 采 集 到 的 负 载 位 移 信 号 经 过 数 据 处 理 后 调节的误差曲线。
反馈给控制器构成位置环。实际上，光栅信号在此是分 4 基于 ACR9000 的齿轮测量软件结构
为 两 路 ，一 路 是 进 入 控 制 器 进 行 全 反 馈 ，另 一 路 是 经 过
在软件开发上采用层次化的结构，对各个功能结构
粒，必须严格控制高温合金的加热规范，锻造时要保证足
够的锻比，最好锻比在 4-6 之间，锻造的过程火次不能过
多，小于 3 个火次为宜，并且最后一个火次的变形量不低
E4（500×）
E5（500×）
图2
表 2 热处理后晶粒度的检查结果
锻比
2 4 68
＞8
编号
E1 E2 E3 E4
E5
晶粒度分析 6.5 级 6.5 级 6.5 级 7 级 过热 2.5 级
84 机械工程师 2012 年第 1 期
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因为选择了通过光耦电路输入，所以设为 0；在增益调节 积分增益、速度前馈等，最后相互配合逐步试凑以达到
上对相应参数进行粗调。
满意的调节效果和控制参数。图 3 则为示波器中 C 轴所
数据采集卡进入计算机。由光栅直接获取工作台的位 进行拆分整合。图 4 为测量软件的整个软件功能图。
齿条插补，三维圆弧插补等。伺服环路中有 PID 调节、速
度前馈、加速度前馈、Notch 和 LoPass（低通）滤波等，能够
完成伺服闭环的计算。控制信号有 16 位分辨率的模拟输
出，也有脉冲输出方式。它以 32 位单精度 DSP 芯片为核
心，能够同时执行 24 个程序。它包含简单易用的工程开
发工具，这种工具能够快速、高效地创建应用程序并维
而且还要完成人机交互界面的管理、后期数据处理以及 最终的数据评值等。
（2）四个轴分别采用各自的交流伺服驱动器和交流 伺服电机组成的驱动部分。
数字式交流伺服系统应用在齿轮测量中心可以实现 高精度及快速控制。本系统采用松下 MINAS A4 系列交 流伺服驱动器和交流伺服电机组成驱动部分。松下 MINAS A4 系列是交流伺服电机中性价比比较高的产品。 它可以满足从 50W 到 5.0kW 的各种容量要求，采用高性 能 CPU，具有高的速度响应频率，定位超调整定时间段， 可实现高速定位。与伺服驱动器配合使用，可以接收外部 脉冲指令和模拟信号的控制，标准对应全闭环控制并具 备自动调谐功能，标配 2500P/R 增量编码器规格和高分 辨率 17 位绝对式/增量式通用编码器，满足不同外部设 备的需求 。 ［4］
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齿轮测量中心的全闭环系统设计
高善铭 1， 高智宇 2 （1.哈尔滨工业资产经营有限责任公司，哈尔滨 150001；2.哈尔滨空调股份有限公司，哈尔滨 150010）
摘 要：齿轮测量中心要求具有测量精度高、测量速度快、重复性好、操作简单、安全可靠等特点。文中采用运动控制器
算机通讯，提供动态链接库，可用 VC++、VB6，C#，VB.
NET 等多种语言进行软件开发。一方面可以将上位机中
的测量软件生成的运动控制指令经过进一步处理送到四
个轴的伺服驱动器，完成各轴的运动控制，从而完成测量
轨迹的规划。另一方面，可以从各轴采集到的数据送给主
机进行计算。计算机不但负责测量流程的运动控制程序，
文献标识码：A
文章编号：1002－2333（2012）01－0083－03
Designed on Full-closed Loop Control System of Gear Measuring Centre GAO Shan-ming1, GAO Zhi-yu2
（1.Harbin Industry Assets Holding Company, Harbin 150001, China；2.Harbin Air Conditioner Co., Ltd., Harbin 150010, China）
过由计算机、控制器、伺服驱动装置及传动装置组成的展 夹可以自动完成工件的多项参数测量，同时解决了许多
成系统，取代机械展成法中的展成装置，来形成某种特定 用传统方法无法检测的技术难题。无论是制造中的技术
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（3）负载部分为各个轴的滚珠丝杠平台。 （4）采用光栅和 PCI 总线数据采集卡作为反馈部分。 精密机器控制和运动系统的有效运动控制需要高 性能的圆光栅或直线光栅。在齿轮测量中心中 X、Y、Z 三个轴采用 Renishaw 的非接触式的直线光栅尺，可靠 耐用，有优异的测量性能，具有集成的内置细分电路，提 供高分辨率的数字反馈信号及模拟输出信号。本设计中 各轴采用的是分辨率达 0.1μm 的 RGH24Y。C 轴采用 Renishaw 的圆光栅，具有高速、非接触的光学性能，零反 向 间 隙 ，光 学 参 考 零 位 保 持 双 向 重 复 精 度 ，角 度 分 辨 率 达 0.004s。 光栅的数据采集的基本原理是将光栅测量的位移信 号转换为电信号，再通过数字信号处理电路将电信号转 换为计算机可读的位移信号。光栅输出的位移信号为两 路相位差 90°的方波信号，通过记录两路方波信号上下沿 的个数来测量实际的位移变化，并由这两路信号的瞬时 相位变化测出位移的方向。 3 全闭环控制系统结构 在齿轮测量中心的运动控制中需要对多台电机的位 置、速度、转矩等参数进行精确、快速控制，并控制多台电 机的插补运动，实现我们希望的测量轨迹及空间曲线，我 们通过选择不同的控制方式及系统配置，实现最优控制。 在进行系统设计时，我们希望实现：系统运行稳定可 靠 ，能 够 连 续 运 行 ，抗 干 扰 能 力 强 ；高 精 度 ，包 括 定 位 精 度，重复定位精度，动态跟随误差等；快速响应性好；能够 快速上手，开发周期短；易于维护。在本设计中采用双环 结构。 （1）电机的光电编码器返回的脉冲信号进入交流伺 服驱动器构成速度环。通过交流伺服驱动器接收伺服电 机的编码器反馈信号，实现对电机的控制。在四轴中驱动 器都采用速度控制模式，参数设置可以通过触摸面板进 行，也可以通过 RS232 数据线进行通讯，在计算机上通过 PANATERM 软件即可进行参数的设置。在参数设置中要 将参数 Pr02 设定为 1，即选择速度控制模式；参数 Pr40
装高精度的检测元件，即实现全闭环控制。这样上位控制
器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反
馈作为位置环，实现真正的全闭环位置控制功能，获得较
高的定位精度［3］。本文就是以新型电子展成式的齿轮测量
中心为对象进行全闭环系统的研究与设计。
2 测量中心控制系统的硬件组成
齿轮测量中心测量主机采用 X、Y、Z、准 四坐标测量
Hale Waihona Puke Baidu
由以上试 验及结果可以 看出：锻件经 热处理后的晶
粒度与锻造后比较，更均匀。但在锻造过程中造成的晶粒
于 15%。按照论文中所提及锻造过程，在中小型环类件的
实际生产中，取得了良好的效果。
［参考文献］
［1］ 黄乾尧.高温合金［M］.北京：冶金工业出版社，2000：57.
［2］ 中国机械工程学会塑性工程学会. 锻压手册 （第 1 卷）［M］.北
Abstract： Gear measuring center requires high measuring accuracy, high speed, good repeatability, convenient operation, as well as high safety and reliability. The design uses a motion controller as the control unit, AC servo drive as drive mechanism, the servo motor as the implementing agency, the grating and the inductor as precision sensing, data acquisition card as a displacement sensor and data collection part, micro-computer by VC++ programming as the host control, data processing and interface display, in order to achieve gear measuring center motion control system of full-closed loop. Key words： gear measuring center; full-closed loop control; AC servo; motion controll
系统，有 X、Y、Z 形成的三维直线运动自由度和 准 形成的
测控软件
绕齿轮轴线回 转运动自由度，
操作系统
方便齿轮这种
计算机总线
回转体零件的 测量。
运动控制系统
状态监控系统 数据采集系统
图 1 为齿
运动控制器
数据采集卡
轮测量中心的
气限急
压位停
伺
服
位
放
置
大
测
测 微 测 头
操 纵 盒
器
量
伺服电机 运动构件
1引言
曲线轨迹（如螺旋线、齿廓线等）［1］。CNC 齿轮测量中心作
齿轮检测技术已有 100 多年的历史，齿轮的 CNC 坐 为新型齿轮量仪，与传统的机械式齿轮量仪相比，它不仅
标测量技术起源于 1970 年代的电子展成测量技术。电子 能测量齿轮，还可以测量复杂刀具、蜗轮、蜗杆、凸轮、曲
展成法是相对机械展成法而言的。所谓"电子展成"，即通 轴等各种复杂工件，测量精度高、速度快、功能强，一次装
含量，还是使用时的性能指标，CNC 齿轮测量中心都代表
了当今国际上最先进的测试技术水平［2］。
由于齿轮测量中心的高精度和高响应等要求，交流
伺服控制系统广泛使用。而现在大多系统工作在半闭环
的控制方式，这种控制方式对于传动链上的间隙及误差
不能克服或补偿，对于联动轴之间的协调运动精度有所
制约。为了获得更高的控制精度，应在最终的控制部分安
图 1 齿轮测量中心的全闭环结构图
全闭环结构图， 该系统主要由 四部分组成。
（1）上位控 制部分包括通 用计算机和
Parker 公司的 ACR9000 四轴运动控制器。
ACR9000 是独立的运动控制器，用于伺服或者步进
控制，最多可实现四轴中的任意组合的插补运动，包括直
线插补、圆弧插补、正弦曲线插补、螺旋插补、椭圆插补、