CN113092104A - 一种蜗轮母机电子传动链性能检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种WG37125CNC型蜗轮母机电子传动链性能检测系统，包括电子传动链数据采集系统、信号传输系统、电子传动链处理系统；电子传动链数据采集系统设置于WG37125CNC型蜗轮母机上用于采集电子传动链性能参数；信号传输系统用于将电子传动链数据采集系统采集到的信号传输到电子传动链处理系统；所述电子传动链处理系统用于接收信号传输系统传输的采集信号并对采集信号进行分析处理的。本发明提供的电子传动链性能检测系统，提高了WG37125CNC型蜗轮母机精度和可靠性，扩展了系统的通用性与兼容性，同时通过三通方式获取Endat信号，实现了多线程工作方式下海量数据的高效实时采集与存储，大大提高了数据采集的可靠性；具有高效、可靠、通用等优点，具有重要的工程实际应用价值。

Description

一种蜗轮母机电子传动链性能检测系统及方法

技术领域

本发明涉及数控装备检测分析技术领域，特别是一种蜗轮母机电子传动链性能检测系统及方法。

背景技术

随着现代数控技术的发展，新兴的电子传动方式以其传动精度高、结构简单等优越性能，逐渐取代传统机械传动方式。准确地获取蜗轮母机本体信息是进行WG37125CNC型蜗轮母机性能分析的前提，对于蜗轮母机而言存在两种信息来源，即内置传感器信号和外置传感器信号，两者信息的获取难度和采集信号的质量可能会存在差别。

在WG37125CNC型蜗轮母机加工过程中，需要对实时海量数据进行存储、显示，因此海量数据的使用效率、可靠性等是WG37125CNC型蜗轮母机电子传动链性能分析与测试系统开发的关键，对WG37125CNC型蜗轮母机电子传动链性能的分析与测试系统进，可以实现WG37125CNC型蜗轮母机电子传动链性能快速测试与分析。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种WG37125CNC型蜗轮母机电子传动链性能检测系统及方法，通过该系统对WG37125CNC型蜗轮母机的电子传动链性能进行分析。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的一种WG37125CNC型蜗轮母机电子传动链性能检测系统，包括电子传动链数据采集系统、信号传输系统、电子传动链处理系统；

所述电子传动链数据采集系统设置于WG37125CNC型蜗轮母机上用于采集电子传动链性能参数；

所述信号传输系统用于将电子传动链数据采集系统采集到的信号传输到电子传动链处理系统；

所述电子传动链处理系统用于接收信号传输系统传输的采集信号并对采集信号进行分析处理的。

进一步，所述电子传动链处理系统包括系统管理模块、人机交互界面、数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、数据存储模块、实时显示模块、硬件驱动模块、采集数据接口；

所述系统管理模块用于管理人机交互界面、数据采集模块和硬件驱动模块；

所述数据处理模块、数据分析模块、数据存储模块分别与人机交互界面连接；

所述实时显示模块分别与系统管理模块、数据处理模块、数据分析模块、数据存储模块连接，用于实时显示信息处理结果；

所述硬件驱动模块通过采集数据接口与电子传动链数据采集系统连接。

进一步，所述电子传动链性能参数包括电子传动链的位置波动信号和电子传动比波动信号。

进一步，所述电子传动链数据采集系统包括控制板和信号处理板，所述控制板通过通信接口与信号处理板连接；

所述控制板包括MCU系统电路以及分别与MCU系统电路连接的信号预处理电路、电源管理电路、USB通信接口电路、扩展接口电路；

所述信号处理板包括缓存单元和FPGA系统；所述缓存单元与FPGA系统连接，并通过通信接口与控制板的MCU系统电路连接；

所述信号预处理电路通过三通信号接口与NC伺服器连接。

进一步，所述电子传动链数据采集系统还包括信号采集卡，所述信号采集卡包括主卡和若干从卡，所述主卡采用三通接口分别与每个从卡连接，所述主卡为计数卡，为每个从卡提供外部触发时钟。

进一步，所述信号采集卡为设置于待检测处的位置传感器和速度传感器；所述位置传感器和速度传感器采集的信号分别传输到待检测的电子传动链性控制系统和信号处理系统。

进一步，所述信号采集卡为设置于WG37125CNC型蜗轮母机伺服轴上待检测处的位置传感器和速度传感器；所述位置传感器和速度传感器采集的信号分别传输到到待检测的电子传动链性控制系统和信号处理系统；所述信号采集卡为内置传感器或/和外置传感器。

本发明还提供了一种WG37125CNC型蜗轮母机电子传动链性能检测方法，包括以下步骤：

构建WG37125CNC型蜗轮母机电子传动链性能测试模型，所述电子传动链性能测试模型包括WG37125CNC型蜗轮母机伺服轴的位置波动分析模型和电子传动比波动分析模型；

获取WG37125CNC型蜗轮母机伺服轴的位置信号和电子传动比信号；所述WG37125CNC型蜗轮母机伺服轴的位置信号和电子传动比信号分别通过三通采样方式获取的，所述三通采样方式为将采集信号进行分流，将采集信号分别传输到WG37125CNC型蜗轮母机的控制系统和采集系统中；

根据获取的位置信号和电子传动比信号按照构建的位置波动分析模型和电子传动比波动分析模型分别进行数据分析处理：

输出分析处理结果。

进一步，所述位置波动信号值按照以下公式计算：

[△_P]＝|[P'_C]-[P_C]|

式中：△_P——C轴位置波动/°；P_C——C轴位置采集值/°；

其中，

式中：P_C'——C轴理论位置值/°；P_B——S轴位置采集值/°；P_X——Y轴位置采集值/mm；P_Z——Z轴位置采集值/mm；P_Y——Y轴位置采集值/mm；P_Z——Z轴位置采集值/mm；K'_BC——B轴和C轴间理论电子传动比；K'_XC——X轴和C轴间理论电子传动比；K'_YC——Y轴和C轴间理论电子传动比；K'_ZC——Z轴和C轴间理论电子传动比；

所述电子传动比波动信号按照以下公式计算：

式中：△_K——电子传动比波动；

按照以下公式计算出实际电子传动比：

式中：K_SC——S轴和C轴间实际电子传动比；K_YC——Y轴和C轴间实际电子传动比；K_ZC——Z轴和C轴间实际电子传动比。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的电子传动链性能检测系统，以WG37125CNC型蜗轮母机电子传动链作为研究对象，对WG37125CNC型蜗轮母机的电子传动链进行快速测试与分析，提高了WG37125CNC型蜗轮母机精度和可靠性提供了数据支持，本系统从获取难度和信号质量等方面进行了比较，采用二者相结合的方法，极大扩展了系统的通用性与兼容性。本系统采用基于FPGA+MCU的Endat信号采集卡获取绝对式编码器信息，通过三通方式获取Endat信号。本系统采用主从采集获取采集信号，实现了多线程工作方式下海量数据的高效实时采集与存储，大大提高了数据采集的可靠性；基于VC控件重绘技术开发了数据实时显示控件；基于Socket编程实现了实验数据网络共享。本系统具有高效、可靠、通用等优点，具有重要的工程实际应用价值。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1是型号为WG37125CNC型号的蜗轮母机5个参与联动的伺服轴结构图。

图2为电子齿轮工作示意图。

图3为闭环控制数控WG37125CNC型蜗轮母机内置传感器信号获取原理图。

图4为多卡同步硬件连接图。

图5为WG37125CNC型蜗轮母机电子传动链处理系统总体结构图。

图6为WG37125CNC型蜗轮母机电子传动链测试系统原理框图。

图7为信号采集卡硬件功能划分图。

图7-1为信号采集卡硬件结构图。

图7-2为Endat信号传输时序图。

图7-3为Endat信号解码方案图。

图7-4为Endat信号CRC校验电路图。

图7-5为双缓存原理图。

图7-6为USB通信示意图。

图7-7为控制信息字段定义。

图8为WG37125CNC型蜗轮母机Y轴位置和速度图。

图9为WG37125CNC型蜗轮母机Z轴进给与C轴位置波动波形图。

图10为WG37125CNC型蜗轮母机各轴运动速度波形图。

图11为WG37125CNC型蜗轮母机切削过程中各运动轴速度图。

图12为WG37125CNC型蜗轮母机C轴误差波动局部图。

图13为WG37125CNC型蜗轮母机滚削过程各轴速度图。

图14为C轴速度位置域分析图。

图15为WG37125CNC型蜗轮母机B轴、C轴速度频谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本实施例提供的电子传动链性能检测系统，可用于对蜗轮母机的电子传动链性能进行分析与测试，它不同与以前的机械同步传动链，而是依靠设置数控系统参数，保证了各个联动轴之间实际位置的严格同步比例关系。

本实施例以WG37125CNC型蜗轮母机为例，但也可以是其他型号的涡轮母机，如图1所示。WG37125CNC型蜗轮母机具有5个参与联动的伺服轴，各轴功能如下：

C轴：实现工件的旋转；

B轴：砂轮主轴，实现刀具旋转；

X轴：实现砂轮沿蜗轮径向的移动；

Y轴：实现砂轮沿蜗轮切向的移动，用于在加工过程中交换砂轮的切削面；

Z轴：实现砂轮沿蜗轮轴向的进给；

WG37125CNC型蜗轮母机采用西门子840Dsl数控系统，具有电子齿轮箱功能。其工作示意图如图2所示。图2为电子齿轮工作示意图；B轴、C轴、X轴、Y轴、Z轴具有比例传动关系：

P_C＝P_B*K_BC+P_X*K_XC+P_Y*K_YC+P_Z*K_ZC (1)

式中：P_C——C轴位置值/°；P_B——B轴位置值/°；P_X——X轴位置值/mm；P_Y——Y轴位置值/mm；P_Z——Z轴位置值/mm；K_BC——B轴和C轴间电子传动比；K_YC——Y轴和C轴间电子传动比；K_ZC——Z轴和C轴间电子传动比。

WG37125CNC型蜗轮母机各个电子传动比可按如下公式进行计算：

式中：N_S——砂轮头数；N_d——齿轮齿数；α——蜗轮螺旋角/°；β——蜗轮螺旋升角/°；M_r——法面模数；D_P——节圆直径/mm。

由上述可知，在传动过程中，C轴位置可由X轴、Y轴、B轴以及Z轴位置计算得到。在实际传动过程中，受机械系统及电气系统参数的影响，各轴的实际位置与理论位置间出现误差，影响加工精度。

电子传动链性能测试模型

C轴作为联动运动的最终合成轴，与其它各轴都存在联动关系，根据卡拉希尼柯夫误差传递理论，误差按传动比进行传递，包含了其它各伺服轴的特征信息，最能体现联动误差，所以以C轴信号作为核心研究对象，建立电子传动链性能测试模型。

根据各联动伺服轴的比例关系P_C＝P_B*K_BC+P_X*K_XC+P_Y*K_YC+P_Z*K_ZC，可以看出，C轴的位置信息与各参与联动轴的位置信息、对应轴电子传动比有关。任一因素的异常波动，都将引起C轴的信号波动，进而反映电子传动链联动性能。而电子传动比的波动，将直接反映电子传动链内部的控制性能。依据上述，分别从C轴位置波动和电子传动比波动入手，建立电子传动链性能测试模型。

C轴位置波动分析模型

按照以下公式计算出C轴理论位置值：

式中：P_C'——C轴理论位置值/°；P_B——S轴位置采集值/°；P_X——Y轴位置采集值/mm；P_Z——Z轴位置采集值/mm；P_Y——Y轴位置采集值/mm；P_Z——Z轴位置采集值/mm；K'_BC——B轴和C轴间理论电子传动比；K'_XC——X轴和C轴间理论电子传动比；K'_YC——Y轴和C轴间理论电子传动比；K'_ZC——Z轴和C轴间理论电子传动比。

然后按如下公式计算出C轴位置波动

[△_P]＝|[P'_C]-[P_C]| (7)

式中：△_P——C轴位置波动/°；P_C——C轴位置采集值/°。

按照以下公式计算出实际电子传动比：

式中：K_SC——S轴和C轴间实际电子传动比；K_YC——Y轴和C轴间实际电子传动比；K_ZC——Z轴和C轴间实际电子传动比。

然后计算传动比波动，计算公式如下：

式中：△_K——电子传动比波动。

鉴于以上分析，WG37125CNC型蜗轮母机电子传动链处理系统选择内外置传感器作为信号来源，在进行传动链性能分析时，主要采用内置信号，而对于复杂的传动链故障诊断时，将综合使用二种信号。

对于目前常用的开放式数控系统，一般可以十分方便的获取到WG37125CNC型蜗轮母机的位置反馈信号、速度反馈信号以及电机电流反馈信号。对于伺服驱动器监测接口以及外置传感器信息一般为电信号，只需要将输出端连接到模拟量采集设备即可完成信号的采集。WG37125CNC型蜗轮母机常用的编码器和光栅尺信号格式一般为1Vpp、TTL、Endat等格式，需要专用的商业采集卡或自行开发采集设备方可完成信号采集。在采集WG37125CNC型蜗轮母机位置反馈信号和速度反馈信号时，为了不影响WG37125CNC型蜗轮母机的正常工作，采用了三通采样方式，即将反馈信号进行分流，一部分回到WG37125CNC型蜗轮母机控制系统，一部分接入采集系统。如图3所示，图3为闭环控制WG37125CNC型蜗轮母机内置传感器信号获取原理。

进行测试过程中，各传感器信号需要进行同步时序采集，否则会发生时间错位，影响后续的信号分析。因此，在硬件设计阶段，就需要解决硬件同步触发问题，目前大部分的商用采集卡在数据锁存时有两种方式：一是内部时钟触发锁存，二是外部时钟触发锁存。本实施例采用统一时钟方法，利用数据采集卡板载时钟作为统一外部触发时钟，可完成多采集卡的同步采集，如图4所示，图4为多卡同步硬件连接图。

目前，对于WG37125CNC型蜗轮母机速度及位置反馈信号，普遍为1Vpp和TTL格式信号，市场上具有比较成熟的商用计数采集卡可供选择；电信号的采集可选用商用的高速模拟量采集卡即可。在多格式信号采集过程中，1VPP信号计数卡作为主卡，为其它数据采集卡提供外部触发时钟，模拟量、TTL等采集卡处于从卡状态。三通接口需要根据相应驱动器接口定义进行信号转接，并与测试系统相连接。通过工业现场实际测试，可在不影响WG37125CNC型蜗轮母机加工的前提下，准确有效地获取WG37125CNC型蜗轮母机的运动信息。

目前，数字控制技术正朝着全数字化方向高速发展，数字化总线技术已开始应用于工业生产中，因此，数字总线传输信号的同步获取是进行内置传感器信号采集必须进行的工作。

系统总体设计

在前述研究基础上，本实施例提供的WG37125CNC型蜗轮母机电子传动链处理系统采用虚拟仪器架构作为系统结构，系统主要分为软件部分和硬件部分，软件部分主要负责人机交互功能，完成数据的采集、存储、显示、分析处理等工作。系统硬件部分位于扩展设备中，主要用于实现多信号同步触发采集、数据传输等工作，数据通过PCI接口和USB2.0接口传输计算机中，图5为WG37125CNC型蜗轮母机电子传动链处理系统总体结构图，

本实施例提供的WG37125CNC型蜗轮母机电子传动链性能检测系统包括电子传动链数据采集系统、信号传输系统、电子传动链处理系统；所述电子传动链数据采集系统设置于WG37125CNC型蜗轮母机上用于采集电子传动链性能参数；所述信号传输系统用于将电子传动链数据采集系统采集到的信号传输到电子传动链处理系统；所述电子传动链处理系统用于接收信号传输系统传输的采集信号并对采集信号进行分析处理的。所述电子传动链处理系统包括系统管理模块、人机交互界面、数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、数据存储模块、实时显示模块、硬件驱动、采集数据接口；所述系统管理模块用于管理人机交互界面、数据采集模块和硬件驱动模块；所述数据处理模块、数据分析模块、数据存储模块分别与人机交互界面通信连接；所述实时显示模块分别与系统管理模块、数据处理模块、数据分析模块、数据存储模块通信连接，用于实时显示信息处理结果；所述硬件驱动通过采集数据接口与电子传动链数据采集系统连接；所述电子传动链数据采集系统用于采集电子传动链性能参数，所述电子传动链性能参数包括电子传动链的位置波动信号和电子传动比波动信号。

按照传动链测试要求，测试系统软件主要负责人机交互功能，完成数据采集、存储、分析处理等功能，其中分析处理功能包含电子传动链专用分析功能和通用时频分析功能，如图6所示，图6为WG37125CNC型蜗轮母机电子传动链测试系统软件功能。此外，测试软件还提供信息管理功能，方便用户进行实验信息、WG37125CNC型蜗轮母机信息等工程信息管理，极大扩展了测试系统的应用范围。

硬件选型和结构：完成系统总体设计后则要进行硬件选型，对于测试系统，最重要的就是选择测试所需的数据采集卡，在选型过程中要兼顾几个原则：一是针对不同信号，采集卡不能通用，需要分别选型；二是确定方便可靠的传输接口，目前市场上常用的接口有PXI、PCI、USB、网络接口等；三是根据采样要求选择采集卡性能参数，既要满足要求又要兼顾成本。

WG37125CNC型蜗轮母机内置传感器信号常见的格式有1VPP、TTL、Endat、模拟量等，外置传感器信号一般为模拟量信号。进行信号采集卡选型，本实施例采用Endat信号采集卡。

WG37125CNC型蜗轮母机常用信号按格式划分，主要有1Vpp、TTL、Endat、模拟量几种。同时考虑到企业测试需求，本系统兼具上述信号的采集功能，最终确定系统需求为10通道1Vpp输入、10通道TTL输入、10通道Endat信号输入、10通道模拟量输入。

硬件设计中还充分考虑了设备的便携性和测试系统运行可靠性。因此，设计了两种硬件结构：一是工业一体机+数据采集卡，二是PC机+扩展箱+数据采集卡。前者结构相对紧凑，后者PC机分辨率较高，软件系统运行较美观，而且各具优点，用户可根据实际需求进行相应的配置。

系统总体设计：统计资料表明，绝对式编码器已占据34.1％的反馈元件市场，并呈上升趋势，其中以德国海德汉的Endat接口型编码器为主。Endat是一种数字式、串行总线信号接口，其点到点形式的主动采集技术，市场上已经比较成熟，而在第三方测试系统中，需要通过对主从双方通信信息的截获、解码，实现被动采集，国内外相关研究基本处于空白。因此，亟需对Endat信号的三通采集技术进行深入研究。

Endat信号传输时钟高达8MHz，软件解码速度根本无法满足要求，因此必须采用硬件解码方式。基于FPGA进行硬件解码，速度快、可靠性高，并且可灵活配置电路，大大简化硬件结构。

本实施例将详细讲述基于FPGA方式的Endat信号采集卡的开发过程，首次成功解决了Endat信号的获取难题。提出的硬件设计要求，同时参考海德汉、NI、研华等国内外多款数据采集卡，本实施例给出了Endat数据采集卡的硬件设计方案。

表1硬件设计要求

综合系统经济成本、系统性能等众多因素，Endat信号采集卡基于FPGA+MCU框架，具体因素如下：信号处理板主要完成Endat信号的解码、数据存入缓存工作。采用FPGA作为主要逻辑处理单元，能够满足本采集卡的要求，所以在数据处理硬件方面直接采用已有的高性能信号处理板卡，大大降低了研发成本。

如图7所示，图7为信号采集卡硬件功能划分图，本实施例提供的采集卡以FPGA+MCU为主要架构，大大简化了系统结构。FPGA的引入有效的扩展了MCU的IO引脚，同时也为系统需要的大量的逻辑处理提供了方便，减少了逻辑器件的使用并可以使设计变得更加灵活多变。控制板主要功能是采集和处理外部输入的信号以及与上位机控制系统通信，并提供控制信号实现数据采集。核心器件包括了Altera公司生产的型号为EPM1270T144C5的FPGA以及Silicon Laboratories公司生产的型号为C8051F340的一款MCU。

本实施例提供的电子传动链数据采集系统包括控制板和信号处理板，所述控制板通过通信接口与信号处理板连接；所述控制板包括MCU系统电路以及分别与MCU系统电路连接的信号预处理电路、电源管理电路、USB通信接口电路、扩展接口电路和信号采集卡；所述信号处理板包括缓存单元和FPGA系统；所述缓存单元与FPGA系统连接，并通过通信接口与控制板的MCU系统电路连接；所述信号预处理电路通过三通信号接口与NC伺服器连接；所述USB通信接口电路与上位机连接用于传输经过信号处理的采集信号；所述信号采集卡包括设置于待检测处的位置传感器和速度传感器；所述位置传感器和速度传感器采集的信号分别传输到待检测处的信号控制系统和数据采集模块。

所述电子传动链数据采集系统设置的信号采集卡包括主卡和若干从卡，所述主卡采用三通接口分别与每个从卡连接，所述主卡为计数卡，为每个从卡提供外部触发时钟。所述主卡为1Vpp信号采集卡；所述从卡分别为TTL信号采集卡、模拟量信号采集卡、Endat信号采集卡。其中，采集卡的硬件框图如图7-1所示，图7-1为信号采集卡硬件结构图，

本采集系统选用的MCU为Silicon Laboratories公司的C8051F340芯片。该芯片具有高速的8051微控制器内核；内部集成了USB控制器，符合USB规范2.0版，可以工作在全速(12Mbps)或者低速(1.5Mbps)下，具有1KB的USB缓存，使得单片机与上位机进行数据交换变得容易许多；芯片开发商提供完整的USB开发套件，并且有库函数可供用户直接调用，大大提高了用户的开发效率；该芯片的功能完全符合本采集系统的需要。

MCU电路部分的设计首先要构建最小系统，时钟源采用外部24MHz晶振，通过对引脚的交叉开关的配置，将P0.6、P0.7配置为外部时钟输入，系统的复位电路采用了上电复位的方式，并与外设的其他芯片的复位引脚相连接。其次是数据总线的设计，本设计中MCU与外设间采用总线的方式进行数据交换，数据总线利用P4口，低8位地址线与数据线复用，高位地址线使用P3口。最后是其他接口部分的设计，读写控制线和外部中断信号在P0口，通过控制板与信号处理板接口与FPGA的引脚相连接。

USB接口电路部分的设计除了正常的接口连接外，在USB接口的输入端分别接了二极管1N914，以防止与上位机相连接时电流或者电压的不匹配，将C8051F340的引脚击穿。同时在设计的时候还预留了USB片外供电接口，以满足不同场合的需求。

信号调理电路：Endat信号是差分式信号，需要转换为单端信号，便于后续电路对信号的处理。本设计采用TI公司的AM26LS32ACD芯片，将差分信号转换为单端信号。

由于信号传输过程中难免存在干扰影响，所需对信号进行RC滤波，滤波截止频率为48.3MHz，Endat信号最高频率为8MHz，满足要求。最后对滤波后的信号进行波形整理，并转换为3.3V的LVTTL格式信号，方便与FPGA管脚直接连接，采用Philips公司的74LVC14A芯片完成工作。

电源管理电路：在本采集系统中，需要给芯片提供+3.3V、+5V电源，其中+5V电源为系统的输入电源，因此需要设计专门的电路将+5V电压转化为+3.3V。此外，FPGA等芯片对电压要求很严格，需对转化后的电压进行稳压处理，避免电压出现较大波动，影响芯片性能，甚至损坏芯片。

本文采用电压转化芯片来实现所需电压，+5V电源通过DC-DC芯片转换后，变为+3.3V，然后经过稳压输出，转换芯片采用LT1086CM-3.3。在对各个器件供电的电源引脚上，都并接了一个0.1uF的电容，以减少电源对器件的干扰。

Endat接口是海德汉专为编码器设计的数字式、全双工同步串行接口，数据和时钟同步工作。其传输时序如图7-2所示。图7-2为Endat信号传输时序图。

传输循环从时钟的第一个下降沿开始测量值被保存，计算位置值。在两个时钟脉冲(2T)后，后续电子设备发送模式指令“编码器传输位置值”(带或不带附加信息)。

在计算出了绝对位置值后，从起始位开始编码器向后续电子设备传输数据，后续的错误位F1和F2(只存在于EnDat2.2指令中)是为所有的监控功能和故障监控服务的群组信号，他们的生成相互独立，用来表示可能导致不正确位置信息的编码器故障。导致故障的确切原因保存在“运行状态”存储区，可以被后续电子设备查询。

从最低位开始，绝对位置值被传输，数据的长度由使用的编码器类型决定。传输位置值所需的时钟脉冲数保存在编码器制造商的参数中。位置值数据的传输以循环冗余检测码结束。

位置值如果带附加信息，紧接在位置值后的是附加信息1和2，他们也各以一个CRC结束。附加信息的内容由存储区的选择地址决定，然后在后面的采样周期里被传输。在后续的传输中一直传输该信息，直到新的存储区被选择。在数据字的结尾，时钟信号必须置高电平。10us到30us或1.25us到3.75us(EnDat2.2可编程的恢复时间tm)后，数据线回到低电平，然后，新的数据传输可在新的时钟信号下开始。

根据Endat信号的传输特点，采用Altera的EPM1270T144C5芯片作为核心工作芯片。

1)采样时钟管理

采集卡工作时，采样模式分为内部触发和外部触发。采用内部触发时，需要根据上位机设置的采样频率，生成所需的内部采样时钟；采用外部触发时，需要切换时钟输出方式，将外部时钟作为采样时钟。此外，为了丰富采集卡功能，将采样时钟输出作为其他采集卡同步时钟。

当trig_mode为高电平时，采样时钟clk_sample切换到外部时钟clk_external。

当trig_mode为低电平时，采样时钟clk_sample切换到内部时钟clk_internal。

内部时钟的产生采用了最常用的计数分频原理，对系统时钟100M进行分频，得到所需时钟。

2)信号解码

根据Endat信号的传输特点，设计了Endat信号时序解码方案。图7-3为Endat信号解码方案图。

首先检测Endat信号时钟线高电平，获取系统通信频率，再用系统100MHz时钟在Endat信号时钟高电平期间进行计数，计数时间超过10μs(系统通信频率小于1MHz)或1.25μs(系统通信频率大于1MHz)，则获取到通信起点；然后配置长度为6Bit的移位寄存器，用于接收模式指令，根据接收到的模式指令，判断Endat版本，然后进行接收初始化。在接受位置值时，缓存采用分段机制，配置三段长度为16Bit的移位寄存器，移位接收数据。接收完位置值，对数据进行CRC校验，CRC校验正确后存储到缓存中。

3)CRC校验

在数据传输时，往往存在外部干扰，即使做了防干扰措施，也难免会出现数据传输出错的情况，所以为了提高数据传输的可靠性，海德汉公司对Endat数据进行了CRC校验，大大提高了数据的可靠性。为了保证解码的正确性，对接收的数据进行按Endat通信协议进行CRC校验，确保数据的正确性和可靠性。

但是Endat协议中使用的5位CRC校验，并没有使用国际中通用的5位校验公式。图7-4为Endat信号CRC校验电路。

FPGA内部电路按图7-4所示进行实现。移位接收数据前，初始化5位校验码寄存器为“1”，然后移位接收数据，同时对数据进行CRC校验，接收完毕后，接收Endat信号的CRC校验值，将之与前面进行的校验结果进行对比，若二者相同，则将数据存入缓存，否则弃掉此次接收到的数据。

4)数据采样管理

由于解码数据存入缓存速度比读取缓存数据速度快得多，所以需要对存取和读取速度进行匹配。在采样时钟上升沿，若缓存数据处于稳定状态，则锁存缓存数据，向MCU发出中断，等待读取数据；若缓存数据处于变化状态，则不锁存数据，待数据稳定后，锁存数据，发出中断信号，等待读取。

基于USB的数据通信实现：USB通信具有数据传输速率高、数据安全可靠、支持热插拔、自带电源和地线及使用方便灵活的优点，已经广泛应用到通信中。采集卡硬件设计时，采用C8051F340单片机作为系统CPU，本款单片机支持USB2.0通信协议，它是以SiliconLaboratories公司提供的USBXpress软件开发包为基础设计开发的，允许用户自定义通信协议。

1)数据双缓存管理

为了能够实时采集数据、提高采样频率，又尽量降低系统资源耗费，所以采用双缓存方式进行数据的缓存处理，将从FPGA解码后的数据不断存入双缓存中，若缓存半满，则将数据发送到上位机中。图7-5为双缓存原理图。

在MCU中开辟大小为512Byte的环形缓存，划分为大小为128Byte的四块缓存，分别存储两通道数据。在主程序中轮询各通道缓存状态，若缓存半满，则将缓存数据通过USB发送到上位机中。

2)通信协议

由于C8051F340硬件结构上的特点，使得其只能用做USB的从设备。因此，对于C8051F340的每一次操作，都是从上位机开始的。上位机对下位机的每次操作，都必须从一个SETUP令牌包开始。当上位机要与下位机进行数据交换，首先会产生一个SETUP令牌包，并将此令牌包写入C8051F340端点0的FIFO中，此时，断点0会产生中断信号，下位机在接收到此中断后，要及时地从数据缓存区中读取这个令牌包，并根据令牌包的首字节来判断上位机发送信息类型。从而跳转到相应的子程序中进行下一步的操作。若接收的是参数信息，则接收信息并写入FPGA中；若接收的是控制信息，则读取上位机要获取的通道信息，待对应通道缓存数据已满，将数据写入USB的FIFO缓存中，等待上位机读取。根据设计要求，设计了精简的USB通信协议。图7-6为USB通信示意图。

控制信息共有8个字段信息，包含标识信息、采样设置信息。图7-7为控制信息字段定义。

电子传动链性能检测系统开发完成后，在WG37125CNC型蜗轮母机上进行了应用测试，验证了系统的可靠性和适用性。系统对加工中的WG37125CNC型蜗轮母机进行在线数据采集，然后进行数据分析，根据分析结果可以高效地评估WG37125CNC型蜗轮母机性能和状态，为提高WG37125CNC型蜗轮母机滚齿精度提供了强有力的数据支持。将从实验测试和工程应用两方面展开讲述，展示测试系统功能。为了验证自行开发的Endat信号采集卡性能，在WG37125CNC型蜗轮母机上做了验证实验，验证采集卡是否可以正确采集WG37125CNC型蜗轮母机伺服轴位置，速度是否反映实际运行情况。

WG37125CNC型蜗轮母机是一种全新结构的高效高精度蜗轮滚剃加工装备，采用西门子840Dsl数控系统作为控制单元，实现电子齿轮传动功能。具有五个伺服轴：X轴、Y轴、Z轴、C轴及B轴，其中Y轴光栅尺反馈信号为Endat信号。在测试过程中，Y轴从30mm匀速走到5mm，速度为3.35mm/s。Y轴位置如图8所示。图8为WG37125CNC型蜗轮母机Y轴位置和速度图。

从图8可知，采集位置值与WG37125CNC型蜗轮母机实际运行情况一致，由于Y轴电机参数未调整好，速度势必存在波动，图中可反映出速度波动情况。从测试结果来看，Endat采集卡在工业现场成功采集到Endat信号，达到设计要求。

WG37125CNC型蜗轮母机Z轴导轨采用高刚性直线导轨，驱动装置采用直线电机直接驱动，直线电机初级和次级均采用水冷却，减小热变形对WG37125CNC型蜗轮母机几何精度的影响，Z轴测量反馈装置采用高精度绝对值光栅尺，实现闭环控制。在测试前，Z轴一直振动较大，初步怀疑WG37125CNC型蜗轮母机插补周期过大或反馈元件损坏。本实验采用Endat信号采集卡对Z轴信号进行采集，获取系统插补周期。

WG37125CNC型蜗轮母机Z轴采用的是绝对型光栅作为反馈元件，Endat信号位置值长度为34Bit，光栅分辨率5μm。由于WG37125CNC型蜗轮母机Z轴不能正常工作，所以采用点动方式，用Endat信号采集卡采集Z轴光栅尺信号，结果如表2所示。

表2WG37125CNC型蜗轮母机位置值采集结果

从表2可知，Endat采集卡成功采集到WG37125CNC型蜗轮母机Z轴信号，实验结果和实际情况相符合，说明反馈光栅工作正常。

本实施例中100M系统时钟对Endat通信时钟进行计数，半周期计数值为245，按以下公式计算Endat信号通信频率：

计算出通信频率后，按照Endat传输特点，按下面公式计算WG37125CNC型蜗轮母机插补周期T：

可计算出WG37125CNC型蜗轮母机插补频率f＝1/T＝3.39KHz，由于是绝对值信号，伺服驱动器无法进行细分，系统每次得到的数据都是约294.8μs前的位置值，导致位置值更新频率较低，致使速度反馈环不能正常工作，引起Z轴波动。

图9为WG37125CNC型蜗轮母机C轴位置波动分析结果，在整个Z轴运动行程中，C轴位置波动较小且较平稳，反映出电子传动链运行正常。

图10为各联动轴运动速度，可以看出，各轴运行比较平稳。综合分析结果，电子传动链运行正常，WG37125CNC型蜗轮母机故障不是由电子传动因素引起。

WG37125CNC型蜗轮母机实际切削过程中，不断改变切削条件(切削深度和切削速度)，进行数据采集，采样频率为1000Hz。滚削的齿轮齿轮齿数为55齿，齿轮法向模数为5，砂轮头数为1，导程角16°。WG37125CNC型蜗轮母机砂轮主轴B转速为3900r/min，工件主轴C转速为70.09r/min。

如图11所示，在500s左右开始切削，2750s附近WG37125CNC型蜗轮母机Y轴开始进给，同时交换砂轮磨削面，从图中可看出，WG37125CNC型蜗轮母机Y轴和Z轴速度的变化均会使WG37125CNC型蜗轮母机C轴运动发生改变。在不断改变切削深度和切削速度过程中，观察振动情况，发现WG37125CNC型蜗轮母机振动和切削条件的改变没有必然联系。

1)WG37125CNC型蜗轮母机C轴误差分析

观察加工后蜗轮表面可知，蜗轮表面不仅出现了质量问题，蜗轮齿形齿向精度也同样存在问题，上述现象说明，联动轴之间的运动关系必然发生了改变。将测试得到的WG37125CNC型蜗轮母机X轴、Y轴、Z轴、B轴与C轴实际位置代入C轴位置波动分析模型，可以得到WG37125CNC型蜗轮母机C轴的理论位置与实际位置差值。若传动比未发生变化，则C轴理论位置与实际测试位置相符。分析结果如图12所示，C轴波动幅值较小，但出现了拍频波动现象，外界必然出现了严重干扰，影响到了电子传动的工作。因此，分别对各轴运动特征进行分析。

2)WG37125CNC型蜗轮母机Z轴速度波动分析

速度是评价轴运动平稳性的重要重要特征。为便于观察，选择精磨段数据进行数据分析。图13为各轴速度分析结果，可以看出，WG37125CNC型蜗轮母机B轴速度出现较大波动，但波动较均匀，Z轴速度波动较为杂乱无规律，Y轴在此阶段不运动，而C轴出现了拍频现象。

WG37125CNC型蜗轮母机C轴的拍频波动必然是在实际位置上产生了波动，对C轴速度进行位置域分析，结果如图14所示，可以看出C轴速度波动在整个转动过程中与位置相关，波动的幅值和波形在同一位置基本一致，波形随位置的变化而产生相应的变化。

因各轴匀速运动，且WG37125CNC型蜗轮母机C轴和B轴出现了异常波动，因此对B轴和C轴波动周期进行分析。B、C轴速度周期谱图如图15所示。图15为WG37125CNC型蜗轮母机B轴、C轴速度频谱。

对比周期谱图中WG37125CNC型蜗轮母机B轴C轴频率成分可知，B轴频率成分主要为65Hz及其倍频成分，WG37125CNC型蜗轮母机C轴频率成分主要为85.12Hz，78.03Hz，65Hz以及上述频率的倍频成分。计算可知，C轴旋转频率为1.1817Hz，蜗杆砂轮与被加工齿轮的啮合频率为65Hz，因此WG37125CNC型蜗轮母机B轴、C轴中均包含啮合频率成分。C轴力矩电机的齿槽数为72，因此齿槽力的波动频率为85.08Hz，与C轴中的85.12Hz极为接近。啮合频率与齿槽力频率接近，构成拍频现象，拍频频率为78.03Hz。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种蜗轮母机电子传动链性能检测系统，其特征在于：包括电子传动链数据采集系统、信号传输系统和电子传动链处理系统；

所述电子传动链数据采集系统设置于数据蜗轮母机上用于采集电子传动链性能参数；

所述信号传输系统用于将电子传动链数据采集系统采集到的信号传输到电子传动链处理系统；

所述电子传动链处理系统用于接收信号传输系统传输的采集信号并对采集信号进行分析处理的。

2.如权利要求1所述的蜗轮母机电子传动链性能检测系统，其特征在于：所述电子传动链处理系统包括系统管理模块、人机交互界面、数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、数据存储模块、实时显示模块、硬件驱动模块和采集数据接口；

所述系统管理模块用于管理人机交互界面、数据采集模块和硬件驱动模块；

所述数据处理模块、数据分析模块、数据存储模块分别与人机交互界面连接；

所述实时显示模块分别与系统管理模块、数据处理模块、数据分析模块、数据存储模块连接，用于实时显示信息处理结果；

所述硬件驱动模块通过采集数据接口与电子传动链数据采集系统连接。

3.如权利要求1所述的蜗轮母机电子传动链性能检测系统，其特征在于：所述电子传动链性能参数包括电子传动链的位置波动信号和电子传动比波动信号。

4.如权利要求1所述的蜗轮母机电子传动链性能检测系统，其特征在于：所述电子传动链数据采集系统包括控制板和信号处理板，所述控制板通过通信接口与信号处理板连接；

所述控制板包括MCU系统电路以及分别与MCU系统电路连接的信号预处理电路、电源管理电路、USB通信接口电路、扩展接口电路；

所述信号处理板包括缓存单元和FPGA系统；所述缓存单元与FPGA系统连接，并通过通信接口与控制板的MCU系统电路连接；

所述信号预处理电路通过三通信号接口与NC伺服器连接。

5.如权利要求3所述的蜗轮母机电子传动链性能检测系统，其特征在于：所述电子传动链数据采集系统还包括信号采集卡，所述信号采集卡包括主卡和若干从卡，所述主卡采用三通接口分别与每个从卡连接，所述主卡为计数卡，为每个从卡提供外部触发时钟。

6.如权利要求4所述的蜗轮母机电子传动链性能检测系统，其特征在于：所述信号采集卡为设置于待检测处的位置传感器和速度传感器；所述位置传感器和速度传感器采集的信号分别传输到待检测的电子传动链性控制系统和信号处理系统。

7.如权利要求7所述的蜗轮母机电子传动链性能检测系统，其特征在于：所述信号采集卡为设置于蜗轮母机伺服轴上待检测处的位置传感器和速度传感器；所述位置传感器和速度传感器采集的信号分别传输到待检测的电子传动链性控制系统和信号处理系统；所述信号采集卡为内置传感器或/和外置传感器。

8.利用权利要求1-7中任一项所述的蜗轮母机电子传动链性能检测系统进行的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

构建电子传动链性能测试模型，所述电子传动链性能测试模型包括蜗轮母机伺服轴的位置波动分析模型和电子传动比波动分析模型；

获取蜗轮母机伺服轴的位置信号和电子传动比信号；所述蜗轮母机伺服轴的位置信号和电子传动比信号分别通过三通采样方式获取的，所述三通采样方式为将采集信号进行分流，将采集信号分别传输到蜗轮母机的控制系统和采集系统中；

根据获取的位置信号和电子传动比信号按照构建的位置波动分析模型和电子传动比波动分析模型分别进行数据分析处理：

输出分析处理结果。

9.如权利要求8所述的蜗轮母机电子传动链性能检测方法，其特征在于：所述位置波动信号值按照以下公式计算：

[△_P]＝|[P'_C]-[P_C]|

式中：△_P——C轴位置波动/°；P_C——C轴位置采集值/°；

其中，

式中：P_C'——C轴理论位置值/°；P_B——S轴位置采集值/°；P_X——Y轴位置采集值/mm；P_Z——Z轴位置采集值/mm；P_Y——Y轴位置采集值/mm；P_Z——Z轴位置采集值/mm；K'_BC——B轴和C轴间理论电子传动比；K'_XC——X轴和C轴间理论电子传动比；K'_YC——Y轴和C轴间理论电子传动比；K'_ZC——Z轴和C轴间理论电子传动比；

所述电子传动比波动信号按照以下公式计算：

式中：△_K——电子传动比波动；

按照以下公式计算出实际电子传动比：

式中：K_SC——S轴和C轴间实际电子传动比；K_YC——Y轴和C轴间实际电子传动比；K_ZC——Z轴和C轴间实际电子传动比。

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