齿轮测量中心运动控制系统的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 3.73MB 70 页 15积分

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摘要

齿轮测量中心作为测量齿轮误差最先进的仪器，由于其测量精度高、速度

快、功能强大，在实际中得到广泛应用。随着机械行业，特别是齿轮制造业的

复苏及发展，目前国内对齿轮测量中心的需求量逐年增加。但是，目前一般的

中小型企业难以购买此类价格相当高的齿轮测量中心。在这样的背景下，本课

题组提出开发中小模数、经济型的用于测量轿车和摩托车车用齿轮的齿轮测量

中心。

本文首先介绍了齿轮测量中心及其运动控制系统国内外的发展现状和趋

势。然后分析了研究齿轮测量中心运动控制系统的意义。在此基础上，本文对

齿轮测量中心运动控制系统作了如下几点研究：

1．针对齿轮测量中心测量对象的多样性，首先分析了齿轮测量中心工作的

基本原理，然后以齿轮齿距测量为例规划和分析了齿轮测量中心运动的特点，

提出齿轮测量中心运动控制系统需要满足的基本功能和技术指标。

2．根据齿轮测量中心的运动要求，确定了系统以半闭环控制的主控方案以

及运动控制系统的关键硬件部分并设计了相关转换电路。

3．建立了齿轮测量中心运动控制系统的数学模型，分析了齿轮测量中心以

ACR1505 运动控制卡为控制器时齿轮测量中心运动控制系统的动、静态性能。

4．详细介绍了 ACR1505 运动控制卡、SGDM-02ADA 伺服单元的软硬件

设置，然后连接上电机搭建了齿轮测量中心运动控制系统的实验平台。最后，

以梯形速度曲线运动模式对前馈 PID 控制参数进行了调节实验，实验最后设置

的前馈 PID 参数基本上能让齿轮测量中心运动控制系统达到课题组提出的技术

指标要求。

关键词：齿轮测量中心半闭环控制 ACR1505 运动控制卡前馈 PID

ABSTRACT

As the most advanced instrument which is used to measure the gear error, the

gear measuring center is widely applied because of its high precision of

measurement, speed and strong function with the recovery and development of

machine industry, especially the requirements of the gear measuring center are

increasing year by year. But some small and middling corporations can not afford its

expensive price. In this background, we advanced the middling and small modulus’

and economic gear measuring center which is need to measure the gear used in the

car and motorcycle.

Firstly, the paper summarizes the development of actualities and direction of the

gear measuring center and its motion control system. Then the paper analyses the

significance of studying the motion control system of the gear measuring center. On

the base, the paper researches it in following aspects:

1. Aiming at the multiplicity of measuring object, the paper firstly analyzes the

basic principle of the gear wheel measuring center, then plans and analyses its

motion specialty by the example of measuring involute cylindrical gear pitch. At the

base, the paper advances the basic functions and qualification of the motion control

system of the gear measuring center.

2. According to the motion plan, the paper ascertains a half-closed loop as a

main control scheme. Then the paper finalizes the type of pivotal hardware parts and

designs the correlative driving circuits.

3. Founding a mathematic model and analyzing the dynamic and static

capability of the motion control system of the gear measuring center using the

motion card ACR1505 as controller.

4. Itemizing the motion card ACR1505, the soft and hardware setting of servo

module SGDM-02ADA and then connecting motor to make the motion control

system of the gear measuring center. At last with the trapezoid velocity curve motion

mode carried on an experiment to regulate the feedforward PID control parameters,

the parameters established finally can satisfy the qualification of the control system

of the gear measuring center basically.

Key words:the gear measuring center, the half-closed loop control,

the motion card ACR1505, feedforward PID

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ............................................................................................................. 1

§1.1 引言 ................................................................................................................ 1

§1.2 齿轮测量中心国内外发展现状与趋势 ........................................................ 1

§1.3 齿轮测量中心运动控制系统国内外发展现状与趋势 ................................ 3

§1.4 齿轮测量中心运动控制系统研究的意义 .................................................... 5

§1.5 论文主要研究内容 ........................................................................................ 6

§1.6 课题来源及论文的内容安排 ........................................................................ 6

第二章齿轮测量中心机械结构平台运动规划及分析 ........................................... 7

§2.1 齿轮测量中心机械结构平台概述 ................................................................ 7

§2.2 齿轮测量中心工作原理概述 ........................................................................ 7

§2.3 齿轮测量中心测量齿距的运动规划及分析 ................................................ 8

§2.3.1 齿距偏差的绝对法测量原理 .............................................................. 8

§2.3.2 齿轮测量中心测量齿距的运动规划 .................................................. 8

§2.3.3 测头运动模型分析 .............................................................................. 9

§2.3.4 被测齿轮转速模型分析 .................................................................... 10

§2.3.5 测量时间模型分析 .............................................................................11

§2.4 齿轮测量中心运动控制系统的技术参数 .................................................. 12

§2.4.1 齿轮测量中心运动控制系统的基本功能 ........................................ 12

§2.4.2 齿轮测量中心运动控制系统的技术指标 ........................................ 12

§2.5 本章小结 ...................................................................................................... 13

第三章运动控制系统的总体设计及硬件组成 ..................................................... 14

§3.1 齿轮测量中心运动控制系统的主控方案及主控方案的确定 .................. 14

§3.1.1 运动控制系统位置调节原理方案的确定 ........................................ 14

§3.1.2 运动控制系统硬件结构形式方案的确定 ........................................ 16

§3.2 齿轮测量中心运动控制系统的硬件组成结构 .......................................... 17

§3.3 开放式运动控制器的类型及其选型 .......................................................... 18

§3.3.1 开放式运动控制器的几种类型 ........................................................ 18

§3.3.2 开放式运动控制器的选型 ................................................................ 19

§3.4PARKER 运动控制卡（ACR1505）概述 ...................................................21

§3.4.1ACR1505 运动控制卡的特点 ............................................................ 21

§3.4.2ACR1505 运动控制卡的硬件接口 .................................................... 22

§3.5 运动控制系统其它关键部件的选型 .......................................................... 24

§3.5.1 伺服驱动器和伺服电机的选型 ........................................................ 24

§3.5.2 位置和速度传感器的选型 ................................................................ 25

§3.5.3 光栅位移检测器的选型 .................................................................... 26

§3.6 齿轮测量中心瞄准与测微方案的确定与装置选型 .................................. 27

§3.6.1 齿轮测量中心瞄准与测微方案的确定 ............................................ 28

§3.6.2 齿轮测量中心测头的选型 ................................................................ 28

§3.6.3 测头转换电路的设计 ........................................................................ 29

§3.7 本章小结 ...................................................................................................... 31

第四章齿轮测量中心运动控制系统分析 ............................................................. 32

§4.1ACR1505 运动控制卡控制算法的工作原理 .............................................. 32

§4.2 前馈补偿型 PID 算法 ..................................................................................33

§4.2.1PID 算法 ..............................................................................................33

§4.2.2 前馈补偿型 PID 算法 ........................................................................34

§4.3 齿轮测量中心运动控制系统的数学模型 .................................................. 35

§4.4 齿轮测量中心运动控制系统动、静态性能分析 ...................................... 37

§4.4.1 齿轮测量中心运动控制系统动态性能分析 .................................... 37

§4.4.2 齿轮测量中心运动控制系统静态性能分析 .................................... 38

§4.5 本章小结 ...................................................................................................... 38

第五章齿轮测量中心运动控制系统实现及其实验 ............................................. 39

§5.1ACR1505 运动控制卡设置 .......................................................................... 39

§5.2ACR1505 运动控制卡、伺服单元和电机的连接调试 .............................. 42

§5.2.1ACR1505 运动控制卡与 SGDM-02ADA 伺服单元的连接 .............42

§5.2.2 伺服单元 SGDM-02ADA 设置 .........................................................43

§5.2.3 连接上 SGMPH-02AAA4C 电机调试 ..............................................44

§5.3 运动控制系统前馈 PID 控制参数设置 ......................................................45

§5.3.1 前馈 PID 参数的选择原则 ................................................................45

§5.3.2 梯形曲线速度控制模式 .................................................................... 46

§5.3.3 前馈 PID 控制参数调试软件设置 ....................................................46

§5.3.4 前馈 PID 控制参数调节实验 ............................................................48

§5.4 本章小结 ...................................................................................................... 54

第六章全文总结与展望 ......................................................................................... 55

§6.1 全文总结 ...................................................................................................... 55

§6.2 课题展望 ...................................................................................................... 55

参考文献 ..................................................................................................................... 64

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 67

致谢 ......................................................................................................................... 68

第一章绪论

§1.1 引言

齿轮作为传递运动和动力的基础元件，在工业发展的历程中发挥了十分重要

的作用。在当今全球工业化和信息化时代，齿轮以其独特的地位发挥着并将继续

发挥其它元件不可替代的作用。

由于制造的原因，实际齿轮总是存在误差的。这种误差对传动系统的精度和

动态特性（特别是振动、噪声）有直接的影响。为保证齿轮传动的质量，满足一

定的使用要求，实现齿轮传动的互换性，需要对齿轮传递运动的准确性、齿轮传

动的平稳性、齿轮载荷分布的均匀性和齿轮副工作的侧隙进行控制，由此，需要

对齿轮的精度提出要求。齿轮精度的表征、分析、利用和控制都离不开对齿轮误

差进行测量。齿轮测量仪就是用于齿轮误差测量的仪器。

伴随着信息技术、计算机技术和数控技术的发展，齿轮测量仪历经了“以机

械为主”到“机电结合”，直至“光-机-电”与“信息技术”综合集成的演变[1]。

当前国际最先进的测量齿轮误差的齿轮测量仪当属齿轮测量中心。齿轮测量中心

是八十年代国际上迅速发展起来的机电结合的高技术齿轮量仪，与传统的机械式

齿轮量仪相比，齿轮测量中心不仅能测量齿轮，还可以测量复杂刀具、蜗轮、蜗

杆、凸轮、曲轴等各种复杂工件。测量精度高、速度快、功能强，一次装夹可以

自动完成工件的多项参数的测量，同时解决了许多用传统方法无法检测的技术难

题[2]。

§1.2 齿轮测量中心国内外发展现状与趋势

20 世纪 80 年代开始，“齿轮测量中心”的开发受到众多齿轮测量仪器制造

商的重视；90 年代逐步形成了系列化产品推向市场。齿轮测量中心是坐标式齿轮

测量仪器发展中的一个里程碑[3]，是信息技术、计算机技术和运动控制技术在齿

轮测量仪器上集成应用的结晶，该仪器实质上是含有一个回转角坐标的四坐标测

量机――圆柱坐标测量机，主要用于齿轮单项几何精度的检测，也可用于（静态）

齿轮整体误差的测量[4]。迄今已有美国、德国、日本、瑞士、中国、意大利等几

个国家生产齿轮测量中心，它们在实现原理上大同小异，但在实现方法上各有各

的特点。

齿轮测量中心运动控制系统的研究

德国KLINGELNBERG的P系列齿轮测量中心[5]，其特点是采用了专利的三维

数字式高精度光栅测量头（使用了HEINDENHAIN的超高精度光栅），性能稳定

的优质铸铁床身，高性能直线电动机驱动系统，高精度滚珠轴系和密珠滚动导轨。

仪器精度达到德国标准1级。据报道该厂生产并经精化的一台P26齿轮测量中心，

如图1－1所示，被我国和英国国家齿计量实验室选定，作为我国和英国齿轮精度

传递及标定的基准仪器。

美国M&M的齿轮测量中心，其三维高精度电感测量头，花岗石基座，精密气

浮轴系以及精密直线滚动体结构导轨，成为该仪器的特色（近年也采用了直线电

动机驱动），仪器测量不确定度为2μm。

德国MAHR的GMX275 采用的模拟量测量头，可选择扫描或单点采样不同方

式，它可以按0.1o间距转动，使测头的测尖能处于被测齿面的法面上。仪器测量不

确定度在测量空间内为（2.3μm + L/200）。齿轮测量中心除了能测量圆柱渐开线

齿轮，还能测量齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀等齿轮刀具以及蜗杆、蜗轮、凸轮轴

等复杂型面的回转体零件[6]。

图1-1 P26齿轮测量中心

国外齿轮测量中心厂商，大多还开发了适用于不同制式锥齿轮的测量软件和

锥齿轮加工机床的参数修正软件，这有益于加快锥齿轮的首件试切。通过接口或

网络的信息集成，将测量中心和锥齿轮设计及锥齿轮加工机床连接一起，构建成

锥齿轮闭环制造系统――将试切锥齿轮几何形状的测量信息，转换成相应机床参

数的调整信息后反馈到机床，实现锥齿轮加工的CAD/CAM/CAT，使锥齿轮的“零

废品”制造成为可能（国内还未见应用的相关报道）。选用相关软件，还能用于

反求工程对工件参数进行测定。高精度和一机多能的特点，使齿轮测量中心更适

合于工厂计量站使用。

日本的齿轮测量仪器制造商，在我国市场经过近十年的沉寂后近年来亮相频

繁。大阪精机在GC-HP系列齿轮测量仪器的基础上，开发出CNC电子创成式的CLP

第一章绪论

系列齿轮测量仪器。特别值得一提的是最近在国内参展亮相的东京技术仪器公司

（Tokyo Technical Instruments Inc）。

2003年底上海“中国国际齿轮传动、制造技术及装备展览会”上，东京技术

仪器公司首次展出TT-300E型CNC齿轮检测仪，据称其质量较小的测头部件能单独

在径向运动，便于快速测量齿轮齿距偏差。密珠轴系的主轴回转精度可达0.03μm，

仪器测量重复性达到0.5μm。除了能对渐开线齿轮高精度测量外，该仪器还能对齿

轮刀具（如滚刀、剃齿刀、插齿刀）以及蜗杆蜗轮进行测量。公司产品近年在中

国已售出30余台，主要集中在台资企业。

近年来国产CNC齿轮测量中心有了长足的发展，哈尔滨量具刃具有限公司、

哈尔滨精达公司都先后成功开发出了自己的系列产品。哈量的3903A齿轮测量中心

[7]，经过几年努力，仪器精度和测量速度据称已达到或接近KLINGELNBERG产品

的先进水平；哈尔滨精达公司为后起之秀，发展引人瞩目。它的JD、JDS系列齿轮

测量中心，目前在国内产品中销量最多。

§1.3 齿轮测量中心运动控制系统国内外发展现状与趋势

齿轮测量中心的核心部分是其运动控制系统[8]。运动控制将预定的控制方案、

规划指令转变成期望的机械运动。运动控制系统使被控机械运动实现精确的位置

控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控

制。

齿轮测量中心运动控制系统通常由伺服系统、控制器、检测装置、机械系统

以及操作软件等几部分组成[9]，原理框图如图 1－2所示。本文就以上几个方面介

绍齿轮测量中心运动控制系统的国内外发展现状与趋势。

控制器伺服系统机械系统操作软件

检测系统

图1－2齿轮测量中心运动控制系统原理框图

1）伺服系统

伺服系统由伺服电机及其驱动器外加编码器构成。伺服系统按其驱动元件划

分，有步进伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。直流伺服系统具有极好的

运行性能和控制特性，一直占据着伺服系统的垄断地位。以前齿轮测量机运动控

制系统大多采用直流伺服系统或步进伺服系统。近年来，随着计算机技术、电力

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摘要：

摘要齿轮测量中心作为测量齿轮误差最先进的仪器，由于其测量精度高、速度快、功能强大，在实际中得到广泛应用。随着机械行业，特别是齿轮制造业的复苏及发展，目前国内对齿轮测量中心的需求量逐年增加。但是，目前一般的中小型企业难以购买此类价格相当高的齿轮测量中心。在这样的背景下，本课题组提出开发中小模数、经济型的用于测量轿车和摩托车车用齿轮的齿轮测量中心。本文首先介绍了齿轮测量中心及其运动控制系统国内外的发展现状和趋势。然后分析了研究齿轮测量中心运动控制系统的意义。在此基础上，本文对齿轮测量中心运动控制系统作了如下几点研究：1．针对齿轮测量中心测量对象的多样性，首先分析了齿轮测量中心工作的基本原理，然后以...

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