摘 要：随着机械基础标准日趋国际化，大中型复杂零件形位误差的检测是否符合国际标准也日渐重要。本文旨在开发一套专用检测系统，能准确、快速地检测字符孔平板大型零件上孔的形位误差，以满足检测产品质量要求的需要。控制部分采用三个子系统，共同完成检测所必需的运动和测量任务，即X、Y定位子系统、沿Z轴直线移动和传感器绕主轴旋转控制子系统、传感器径向直线移动系统。
关键词：典型零件 形状误差 检测 控制
一、概述
随着近代科学的迅速发展和生产水平的不断提高，机加工工业的制造精度和与之相应的检验测量器具都有了很大程度的提高和完善。因而与产品质量有关的形位误差的评定、测量方法等问题，便成为计量学领域研究的热点。零件的形状和位置误差对机器、仪器的工作精度、寿命等性能都有直接的影响，对于在高速、高压、高温、重载条件下工作的机器和精密机械仪器，其影响更甚。为了保证机械产品质量，保证零部件的互换性，需确保形状和位置公差在规定的范围之内，所以圆度、圆柱度、直线度等形位公差在零件图上是必不可少的特征参数。
我国已研制出智能化的各种在线检测设备以及各种特殊用途的数字测量装置。但目前国内现有的各种检测工具与方法不能合理而经济地对大型精密零件的形位误差进行准确的测量。由于大型零件有其各自的特点，通用量仪一方面不能满足测量需要，另一方面价格比较昂贵，对环境的要求比较高；同时从总体水平看，我国的自动化测量技术与工业发达国家相比还有一定的差距。突出表现为系统的稳定性和可靠性差，自检能力和自动化程度低，而且种类较少。如何正确快速地测量和评定形位误差，对提高生产率和产品质量，对现有设备的合理充分使用都起着十分重要的作用。因此研制一种性能价格比高、精确度也比较高的形位误差检测系统已成为当务之急。
针对内蒙古包头某公司生产的典型零件（其长度1400mm，宽700mm，厚200mm，重量约达1540kg），检测20-Φ100H7的孔的圆度、圆柱度误差是否满足7级公差精度，要求开发一套专用检测系统，以性能先进、运行可靠、具有一定的通用性和使用方便为出发点，能准确、快速地检测20孔平板大型零件上孔的形位误差，以满足检测产品质量的要求。
二、检测系统的运动控制设计
1.检测系统的总体方案
本套检测系统的设计目的是能够针对20孔平板大型零件实现圆度和圆柱度误差测量。为了节省测量时间和计算时间，应在保证测量精度的前提下，尽量减少测量截面和采样点数。本文采用每周采样128个点，每孔取10个截面。
由于测量空间的限制和测量大型板孔零件上孔的特点，机械系统的设计摒弃了悬臂式、仪器式、固定桥式等传统的测量机构，采用工作台固定、传感器回转的闭口移动桥式的结构。由于该测量系统的测量精度要求比较高，传感器回转中心必须与所测量孔中心对中，因此用电机上的码盘转换为位移不能满足测量要求，而采用光栅尺来弥补电机码盘作为位置反馈精度低的要求。控制部分主要由计算机和运动控制卡及相关部件组成，计算机主要进行输出运动控制指令和数据处理。控制部分的设计主要是运动控制与控制模块的设计。由于空间限制和测量环境的要求，伺服驱动系统只能选择体积小、不产生电火花的交流伺服电机和与其配套的伺服驱动器。将控制运动分为7个控制模块，以便控制机械系统完成测量。系统用C++软件开发。
2.控制部分的总体构成
控制部分总体构成如图1所示，控制部分由计算机、运动控制卡、数据采集卡、伺服系统等组成。计算机完成人机接口、数据处理、数据通信等，发出控制指令，使运动控制卡完成初始化、运动控制，数据采集卡完成数据采集；同时将采集的数据与运行状态送回计算机，对机械部分实施位置控制，来完成测量前的准备工作。
整个机构的XY平面的位移要求非常高的精度，所以使用光栅尺作为反馈环，进一步消除传动机构和执行机构的误差。X、Y方向的运动在电机码盘位置反馈的基础上，还采用光栅来检测机构的实际转动位移情况，从而形成全闭环控制；传感器在Z向的位移精确度要求不高，即截面的位置选取不用很高的精度，可直接用伺服电机的码盘作为位置反馈，实现半闭环控制；传感器绕Z轴旋转测量采样时，要求各个离散采样截面上的起始采样点位于被测实际圆柱面的同一素线上，且严格控制采样信号开始与结束的位置，因此用光电二极管来获取采样开始与结束信号，实现全闭环控制；而传感器的直线移动，则直接使用开环控制。
（1）X、Y方向定位子系统构成
在运动控制系统中常用的执行机构有步进电机和交流伺服系统等，交流伺服系统以其高性能、高精度和高响应的特点，弥补了步进电机固有的缺陷，己越来越多地取代步进电机应用于很多领域。因此，本子系统选用交流伺服系统作为执行机构来实现全闭环控制。交流伺服全闭环控制示意图如图2所示。
①上位控制器其作用是将分析、计算所得出的运动命令以数字脉冲信号或模拟量的形式送到电机驱动器中，并返回码盘脉冲。通常采用PID调节误差。系统中的上位控制器就是运动控制卡。
②驱动器其功能是进行功率变换，根据上位控制器的命令驱动电机的运转，并返回电机的码盘信号。在驱动器和上位控制器之间完成半闭环控制。
③执行机构运动控制系统中常用的执行电动机为数字式交流伺服电机，其优点是受控性能较好，精度高。
④位置反馈装置有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺及激光干涉仪等。其作用是将检测到的位置反馈到控制器或驱动器中，是实现全闭环控制。本系统采用光栅尺作为位置测量元件。
伺服驱动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元件（如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等），作为位置环，而电动机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙（如齿轮间隙、丝杠间隙等），补偿机械传动件的制造误差（如丝杠螺距误差等），实现真正的全闭环位置控制功能，获得较高的定位精度。
可以看出X、Y方向的定位系统是由电机、滚珠丝杠副、光栅尺等系统构成的一个复杂控制子系统。
（2）沿Z轴直线运动和绕主轴旋转控制子系统构成
①沿Z轴直线运动的控制子系统在传感器和孔心对准期间，传感器应该上移，避免碰撞工件造成损坏。而一个孔需要测量很多个截面，所以Z向移动控制系统完成传感器的升降工作。整个Z向运动机构也是由电机和滚珠丝杠副构成。
由于传感器沿Z轴升降的位置精度要求不是很高，所以直接通过电机码盘的位置反馈实现闭环，可以看出这个定位系统是典型的半闭环控制系统。
该位置控制子系统的基本组成如图3所示。交流伺服驱动器与伺服电机等共同组成一半闭环系统。其输入为运动控制卡给出的指令脉冲，输出为电机转角。在以光电码盘等为反馈环节所实现的闭环控制下，电机轴的转角将严格跟随指令值变化。Z轴传感器升降系统通过滚珠丝杠螺母副传动，电机的角位移被转换为所需移动部件的直线位移。
②绕传感器回转轴旋转控制子系统传感器绕Z轴旋转的目的是进行数据采集，如图4，由电机直接通过减速箱驱动。传感器绕Z轴旋转测量采样时，要求各个离散采样截面上的起始采样点位于被测实际圆柱面的同一素线上，且严格控制采样信号开始与结束的位置，因此用光电二极管来获取采样开始与结束信号，实现全闭环控制系统。
（3）传感器直线径向移动控制子系统构成
由于传感器移动的位移很小，而且安装空间有限，如果从伺服电机到移动部件间有一系列机械元件，势必存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应造成运动滞后和其他非线性误差，加之测量系统的精度要求较高，为减少中间环节，采用直线步进电机直接驱动传感器，而取消了驱动电机和传感器之间的一切中间传动环节，所以克服了传统驱动方式的传动环节带来的缺点，提高了系统的动态灵敏度、加工精度和可靠性。该方法极大地简化了设计，使得在不安装外部机械联动装置的情况下直接使用直线电机进行精密的线性移动。
机构在测量时，首先靠X、Y方向的位移定位。移动同时还应该上移传感器部件，以免与工件碰撞。当X、Y定位系统完成传感器回转中心与孔的对中后，应该下移传感器部件，然后通过绕Z轴电机的旋转完成数据采集。
系统采用的传感器是电感式传感器，是一种接触式传感器。因此在传感器系统放入孔内之前必须向孔中心回移传感器，否则传感器系统会和孔壁相撞。所以当把整个传感器部件放入孔中后，向背离孔中心的方向移动传感器，然后靠Z轴旋转带动传感器完成信号的采集。
因为被测孔的直径为Φ100mm，所以要在如此小的空间内安装传感器和伸缩系统非常困难。普通方法（用电机和滚珠丝杠副）的驱动系统误差难以控制，而且由于空间狭小，选型和装配都非常困难。因此首先该系统控制的精度保证不是通过伸缩系统完成，而是通过传感器反馈完成。控制原理框图如图5。整个驱动子系统完全可以开环控制。以传感器系统张开为例，当传感器系统放入孔内定位后，电机驱动传感器外移，此时采集传感器的输出信号，直到传感器有输出为止。然后锁定电机，保证径向没有位移。可以看出这种控制方式有效的避免了系统误差，降低了部件的要求，提高了系统精度。再之为了降低丝杠副的安装难度，选用直线步进电机。该电机轴直接伸出和缩进，实现了平动和转动，而且安装非常简便。
三、总结
检测系统的控制部分主要功能是读取数据采集信号并进行数据处理，控制机械部分实现检测所必需的运动，对系统几何误差补偿以提高系统的测量精度。控制子系统以运动控制卡为核心，对机械子系统实施位置控制，来完成测量前的准备工作，伺服系统用于驱动机构运行；控制子系统由计算机、运动控制卡、数据采集卡、伺服系统等构成。通过三个控制子系统来完成测量前定位以及测量的运动控制。
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