車臺用角位移傳感器自動分度校準系統設計

賈方文，曹陽

（中國航發動力股份有限公司，陜西 西安 710021）

0 引言

傳統手動分度頭使用中需要依靠分度齒盤或傳動手輪進行人工分度，角度分度效率低、操作勞動強度大，而且手動瞄準存在隨機誤差、多次反復瞄準會引入反向回程誤差和累積偏差，從而影響精度。目前普遍使用的獨立數控分度頭的定位誤差大多高于10″（角秒），與手動分度頭的分度精度有差距。受研究經費高、市場需求低、高精度角度編碼器大多依賴進口等因素影響，市場上定位誤差為10″以下的高精度分度頭很少。國內的高精度數控分度產品以科研院?？蒲姓n題或學術研究以采購為主，數控產品從理論研究到生產推廣及應用均存在遲滯。國外的高精度專用數控分度頭的分度精度可達3.6″，具有定位精度高、集成度高的特點，但價格昂貴，例如WALTER公司的一套配備液壓系統和專用控制器的TAD型數控分度頭報價近150萬人民幣。其他進口數控分度產品多為數控加工設備配套產品或集成附件，用于刀具主軸或數控設備的擴展第四軸，由專用數控系統集成控制，價格高昂，且控制系統復雜、集成度高，需要配套購買液壓系統和專用控制系統等配套附件，不便單獨采購。因此，引進高精度數控分度頭費用高且存在適應性問題，無法滿足一般用途的高精度角度分度計量使用。

為實現分度頭的自動分度和角度測量，在滿足高精度指標要求下，本文提出了角度量自動分度控制系統設計方案，對上海理工大學研制的SJJF型數顯手動分度頭（角度分辨力為0.1″，示值誤差為1″）進行數控化改造。

1 SJJF型數顯分度頭

SJJF型數顯分度頭主軸回轉精度高，配備了分辨力為0.1″光柵測角數顯裝置。分度頭主軸上安裝了21600等分刻線的角度度/分值光柵計數裝置（簡稱“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數裝置（簡稱“副光柵”，其工作中實際行程3/4周，角度分辨力為0.1″）。通過設計的彈性測微機構可將“主光柵”上任意一個代表1′的光柵刻線間隔的角度量細分放大60倍，轉化為“副光柵”60.0″的角度量。

表1 多面棱體與自準直儀檢驗方法定位示值誤差檢定結果Tab.1 Verification results of positioning MPEE of polyhedron and auto collimator inspection method

1.1 彈性測微機構

彈性測微機構［1］是一種由機械細分裝置及彈性鼓裝置等組成的機械測微機構，其結構原理如圖1所示。彈性鋼片材料的切向形變量與外力成正比，端面凸輪旋轉通過壓力彈簧對彈性鼓下片施加外力，彈性鋼片扭轉形變引起彈性鼓下片作微量轉動。設計具有一定剛性比的彈性鋼片，使端面凸輪轉過角度270°（1°為1角度），螺旋面的升程為6 mm，彈性鼓下片帶動指示光柵相對刻線圓光柵作1′的同軸旋轉。該彈性測微機構將此1′微動量通過端面凸輪機械放大，轉換成端面凸輪270°的角度旋轉量，從而達到1′角度進一步細分的目的。該型分度頭采用彈性測微機構機械細分的方法，角度分辨力達0.1″。

圖1 彈性測微機構原理圖Fig.1 Schematic diagram of elastic micrometer

1.2 光柵疊加計數、信號辨向與分度操作方法

疊加計數的“主光柵”和“副光柵”光柵計數裝置的計數原理相同：由光柵信號裝置產生相位差90°的兩相模擬正弦波信號（計數信號和辨向信號），經整形整流、觸發門電路處理形成短脈沖信號，分別送到數顯處理電路中的可逆計數器和邏輯門電路進行加減計數和辨向。

“主光柵”的光柵信號數字化信號處理設計中，計數信號電壓幅值為0 V時，計數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準狀態，該位置稱為過零點。同步的辨向信號的電壓幅值為負半周期內時，計數信號的過零點為“對零點”，此時可稱為“‘主光柵’光柵對零”（簡稱“光柵對零”）狀態。為此，設計了邏輯控制門電路，當辨向信號經方波整形后電平為正時，門電路關閉，計數器停止加減計數。

在分度頭角度分度操作前，需順時針旋轉測微手輪（該手輪由行星減速齒輪機構軸聯接在彈性測微機構凸輪軸另一端），通過彈性測微機構帶動“主光柵”的指示光柵微轉至相對其刻線圓光柵1/4刻線間隔位置（即對零點位置，稱為雙光柵疊加計數起點位置），此時光柵數顯表顯示面板上的對零指示燈亮且指針式對零表指零，按動光柵數顯表清零鍵將角度數顯清零。角度分度過程中，先逆時針旋轉上述測微手輪，“副光柵”同步旋轉計數，直到光柵數顯表“xxx”秒值數顯達到分度目標秒值；再轉動聯接（蝸輪蝸桿副傳動方式）在分度頭主軸上的分度粗調手輪進行角度度分值分度，主軸上“主光柵”的刻線圓光柵同步旋轉計數，直到光柵數顯表的“xxx°xxx′”數顯值達到分度目標度/分值；最后同向轉動聯接（減速齒輪傳動方式）在分度粗調手輪上的分度細調手輪，直至對零指示燈再次點亮且指針式對零表指零，完成一個目標角度值的分度操作。

2 SJJF型分度頭數控改造

2.1 數控改造功能與精度指標要求

使用SJJF型分度頭開展某發動機整機測試車臺用角位移傳感器的角位移量與電壓幅值間線性度、靈敏度等電氣參數校準工作。校準要求角位移傳感器正反向每間隔10°進行角度分度并記錄電壓幅值，單向最少測量11個點位，正反向重復測量3次，共計66個測量點。每個點位校準時需要重復三步操作——對零、分度、再對零，一個完整的校準過程用時約1.5 h。因測量點較多，存在校準效率低、操作易出錯和測量結果一致性差等問題。為解決手動分度頭使用中出現的問題，滿足自動化校準需求，對SJJF型數顯分度頭進行自動分度數控改造，從而實現快速、自動、連續分度。結合角位移傳感器校準精度要求［1］和分度頭原有精度，確立制定分度頭數字化控制系統的精度設計指標：角度示值分辨力為0.1″，定位誤差為± 4″，回零誤差為± 4″。

2.2 自動分度數控改造基本思路

為達到上述高精度數控改造指標要求，需保留原影響分度示值精度（主軸回轉精度、彈性測微裝置安裝精度和光柵裝置安裝精度）的主要機械結構精度，避免精度損失。傳動裝置的長期使用會造成一定程度的磨損，需重新設計傳動裝置，并保證與驅動電機機構的適配安裝要求。實現角度的數字化自動采集、顯示，需采用高采樣頻率的數字化采集電路對主、副雙光柵裝置輸出的光柵信號進行采集，并通過程序算法實現主、副雙光柵疊加計數。以光柵裝置作為反饋信號設計閉環控制程序算法，實現自動分度閉環控制，驅動電機伺服裝置進行快速分度定位。為保證角位移傳感器多次重復校準時電氣零點位置的一致性，增加分度頭機械回原點動作，設計機械回原點程序算法。

2.3 自動分度控制方案

數控改造的關鍵是通過硬軟件設計實現角度自動分度控制，控制方案設計如下：①分度前，分度頭完成機械回原點動作，彈性測微機構回原點；②執行光柵對零指令，驅動主軸轉至“光柵對零”狀態，計數器清零，作為分度起點；③將目標角度值輸入數字控制器，由控制器發出角度秒值置位指令，驅動彈性測微機構凸輪軸旋轉，“副光柵”反饋角度秒值量送入控制器，通過程序算法閉環控制輸出，直至角度秒目標值；④由數字控制器發出角度度/分值定位指令，驅動主軸旋轉，“主光柵”反饋角度度/分值量送入控制器，通過程序算法控制輸出，直到達到角度目標度-分值；⑤再次執行光柵對零指令，驅動主軸轉定位至“光柵對零”狀態。

3 基于PLC的控制系統方案

PLC［4］作為專用數字控制器集成了多路高速脈沖計數和高速驅動脈沖輸出功能，可以實現雙光柵角度計數信號采集以及分度頭主軸、彈性測微機構凸輪軸電氣驅動控制。

3.1 控制系統硬件方案

控制系統硬件構成如圖2所示?；赑LC的控制系統硬件方案設計為：數字控制器采用三菱FX型PLC［3］（集成了專用定位控制、脈沖中斷輸出控制指令，采用梯形圖結構化編程，可簡化控制功能軟件設計），伺服驅動裝置采用臺達ASD-B2系列低慣量伺服驅動器搭配ECMA系列電動機；分度頭主軸傳動裝置采用圓弧齒同步帶傳動（高速級，設計傳動比為1∶4）和蝸輪蝸桿副（低速級，設計傳動比為1∶62）雙級傳動；彈性測微機構凸輪軸傳動裝置采用圓弧齒同步帶（設計傳動比為1∶3）一級傳動。配備了人機交互控制硬件（Human Ma?chine Interface，HMI），通過與PLC的通訊接口進行角度分度目標值設定、角度模擬顯示，以及PLC閉環控制算法參量、定位控制參數的交互調試。

圖2 控制系統硬件構成Fig.2 Hardware structure of control system

3.2 自動分度控制流程

以PLC作為控制單元［4］，通過集成的高速脈沖計數器模塊采集光柵角度計數信號，并與輸入角度目標值比較，由閉環算法計算角度偏差量作為控制輸出量，由脈沖驅動輸出模塊輸出控制脈沖，驅動角度分度定位，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］梯形圖編程工具設計角度算法，運用FX型PLC控制器集成的除法運算指令DIV對高速采集到控制器內部計數器的角度光柵計數脈沖信號作六十進制進位運算，由MOV數據傳送指令將度、分、秒顯示值分別存放在數字寄存器，再由HMI組態編程工具設計可視化交互操作界面，實現角度量模擬顯示、分度操作和控制參數調試設置。

3.4 PID控制算法程序

閉環控制算法（PID算法）數學模型為

式中：r（n）為設定值；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［6］。

由PLC實現的角度定位PID算法如圖4所示，被控對象為分度頭旋轉軸，角度分度目標值為輸入量，光柵計數信號角度反饋量為輸出量。

圖4 PLC實現PID算法框圖Fig.4 Block diagram of PID algorithm implemented by PLC

設計中分度頭主軸和彈性測微機構凸輪軸分度置位均采用PID控制指令。PID指令［7］內部控制邏輯為：啟動定時器，減法運算指令求得角度設定值與角度反饋量的偏差E（n）；當偏差E（n）為正時，將偏差乘積分系數（初值為0），作為積分控制分量；由當前偏差量E（n）減去上一個PID采集周期的偏差量E（n-1），得到偏差變化ΔE，并把當前E（n）存入寄存器內，PID指令運算得角度控制量后輸出。

3.5 “光柵對零”狀態信號數字化采集電路設計

圖5 “光柵對零”狀態信號采集電路Fig.5 Acquisition circuit of "Zero Grating " signal

辨向信號電壓幅值為正、計數信號電壓幅值為0時“光柵對零”。計數信號電壓數字化采集采用窗口運放比較器［8］進行電路設計，電路設計如通過分壓電阻設置一個0 V電平附近的小電壓閾值比較窗口［UL，UH］，比較計數信號輸入電壓Ui是否位于兩電壓閾值之間：當UiUH，輸出Uo為高電平；當UL

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

3.6 光柵對零中斷停止程序設計

根據SJJF型分度頭雙光柵疊加計數工作原理和自動分度控制設計方案需求，自動分度前后均需完成“光柵對零”，為此設計了光柵對零中斷停止程序。PLC控制驅動主軸旋轉，由脈沖輸入模塊功能動態捕捉3.5節數字化采集設計輸出的兩項“光柵對零”狀態信號，通過邏輯運算指令，當監測光柵“對零狀態信號”有效時，置位停止標志位軟元件［M8146］為1，控制輸出端Y004立即輸出中斷脈沖。PLC控制伺服驅動器ZCLAMP信號端，驅動鎖定電機［10］。

4 數控定位誤差檢驗驗收方法

數控改造后的車臺用角位移傳感器自動分度校準系統的部分實物如圖7所示。

圖7 自動分度校準系統實物Fig.7 Real object of automatic indexing calibration system

參考機械行業規范JB/ T11136 - 2011《數控分度頭》和國家檢定規程JJG 57 - 1999《光學、數顯分度頭檢定規程》，對數字化改造分度頭進行分度定位精度評價。分別采用多面棱體和自準直儀檢驗方法、激光干涉儀檢驗方法對角度定位示值誤差進行檢查。

第一種檢驗方法采用0級23面棱體和0.2″自準直儀［11］。依次按23面棱體等分角度工作面檢測點位置自動分度，正反轉各三個測回，讀取自準直儀測量角度偏差讀數a。檢定結果如表1所示。經數據處理和測量不確定度評定分析［12］，分度頭角度定位示值誤差為δ= max｛δ1，δ2，δ3｝ = 4.2″，重復誤差為3.4″。

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

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

0.00102°。

5 結束語

基于SJJF型數顯分度頭的角度量自動分度控制系統改造方案在保證原有使用功能、機械精度前提下，通過自動分度控制方案、控制系統結構、信號數字化采集電路以及PLC控制程序算法的設計，實現了任意角度值或角度間隔連續自動分度，定位示值誤差為4″。采用該方案開展車臺用角位移傳感器自動校準檢測，可節約70%時間，滿足其線性度、靈敏度、回程誤差和重復性等校準精度要求，同時機械回原點的設計可提高角位移傳感器周期校準測量結果的一致性。分度頭的自動分度和角度測量的實現，在工業自動化分度儀器制造和角度參數的批量計量檢測方面具有重要意義。