摘 要： 主要研究了基于可編程片上系統(tǒng)（PSoC）的滾刀周節(jié)誤差自動測量裝置，詳細論述了該裝置的自動測量原理與PSoC測量系統(tǒng)的組成。采用PSoC作為處理核心，半橋式自感傳感器作為誤差測量傳感器，由集成信號變送電路實現(xiàn)電感傳感器信號的調(diào)制與解調(diào)，采用PSoC自帶的高精度A/D轉(zhuǎn)換器對位移信號進行采樣，經(jīng)過運算后得到測量結(jié)果，實現(xiàn)了對滾刀周節(jié)誤差的自動精密測量。
關(guān)鍵詞： PSoC；電感傳感器；滾刀；周節(jié)誤差
隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對齒輪的各項指標提出了苛刻的要求，因此，對加工齒輪的滾刀的要求也越來越高。滾刀周節(jié)參數(shù)是滾刀的一項重要質(zhì)量指標，周節(jié)誤差的大小直接影響被加工的齒輪精度[1]。隨著齒輪生產(chǎn)要求的不斷提高，需要對滾刀的周節(jié)誤差進行快速準確的測量，以便生產(chǎn)人員對滾刀重磨進行滾刀齒形誤差修正，從而保證被加工齒輪的齒形精度。
可編程片上系統(tǒng)（PSoC）是美國賽普拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的內(nèi)置微處理器和數(shù)字、模擬外設(shè)，具有真正混合信號處理能力的可編程片上系統(tǒng)。與傳統(tǒng)意義的集成系統(tǒng)相比，PSoC最大限度地實現(xiàn)了系統(tǒng)單片化的目標，減小了PCB面積，很適合集成系統(tǒng)的使用[2-3]。可編程片上系統(tǒng)內(nèi)置了定時器、PWM、A/D、放大器、濾波器等可編程數(shù)字、模擬系統(tǒng)，不需要外圍電路就可靈活配置所需的各種模塊。最新的PSoC3和PSoC5分別基于當前主流的8051和ARM Cortex-M3內(nèi)核，同時提供PSoC3/5專用集成開發(fā)環(huán)境——PSoC Creator。PSoC Creator預(yù)先為用戶定義了大量的數(shù)字和模擬資源及API函數(shù)，使得可編程片上系統(tǒng)的資源配置及應(yīng)用程序設(shè)計更方便、靈活。
1 測量裝置組成
目前滾刀生產(chǎn)廠家一般采用手動千分尺進行測量。圖1（a）所示為千分尺手動測量原理圖，千分尺與滑塊固定，可以左右移動，當滑塊左移到極限與擋塊接觸時，測量觸頭與滾刀D/2圓周接觸，此時從千分尺上讀出此滾刀當前齒的相對誤差。將滑塊右移，然后讓分度機構(gòu)將滾刀轉(zhuǎn)動到下一個齒，重復(fù)上述操作進行測量。當所有齒的相對誤差測量完成后，由測量人員計算出滾刀的周節(jié)誤差參數(shù)。
手動千分尺測量一方面不可避免引入由人員操作導(dǎo)致的不確定誤差，另一方面嚴重制約著滾刀周節(jié)誤差的測量效率。本文提出基于PSoC的滾刀周節(jié)誤差自動測量裝置，如圖1（b）所示，該測量系統(tǒng)采用半橋式自感傳感器作為測量探頭，由傳感器測頭進行滾刀周節(jié)的微誤差的測量。采用由電機、絲杠、編碼器和擋塊構(gòu)成傳感器的進給機構(gòu)，實現(xiàn)傳感器的向左進給測量和向右移動，每測量一次分度機構(gòu)將滾刀轉(zhuǎn)動到下一個齒，其中擋塊采用D5A-3310微米級高精度限位開關(guān)。通過PSoC協(xié)調(diào)傳感器的進給與測量，由相對誤差計算出周節(jié)誤差，并顯示在液晶屏上。
2 系統(tǒng)硬件組成
基于PSoC的滾刀周節(jié)誤差自動測量系統(tǒng)主要由PSoC3、電感調(diào)理電路、步進電機、編碼器、微動開關(guān)、鍵盤和液晶顯示器等組成，如圖2所示。電感測頭和集成信號變送電路將滾刀圓周位置誤差轉(zhuǎn)變成直流電壓信號；微動開關(guān)及編碼器雙重保證測量位置的一致性，即確保電感測頭的測量位置的重復(fù)精度；RS-485將測量數(shù)據(jù)傳輸輸出至上位機，并接收上位機的控制指令；LCD顯示測量結(jié)果。
測量系統(tǒng)應(yīng)用電路如圖3所示，系統(tǒng)采用半橋式電感傳感器DGC-6PG/A作為測量探頭，AD698采用±15 V雙電源供電，由外接無源元件的參數(shù)確定電感傳感器信號的調(diào)制與解調(diào)激勵電壓頻率、激勵電壓幅值、系統(tǒng)頻帶寬、增益系數(shù)及標定系數(shù)、偏置調(diào)零等[5]。可編程片上芯片CY8C3866作為微控制器，CY8C38系列芯片電源系統(tǒng)由獨立的模擬、數(shù)字和I/O電源引腳，如圖中的VDDa、VDDd和VDDiox。還包括內(nèi)置1.8 V變換器給數(shù)字（VCCd）和模擬（VCCa）內(nèi)核供電。VCCd、VCCa和VDDiox必須有旁路電容接地[2]。由于PSoC芯片引腳可以配置模擬引腳、數(shù)字雙向端口、數(shù)字輸出端口和數(shù)字輸入引腳，驅(qū)動模式可設(shè)置為強輸出、開漏、電阻上拉、高阻抗模擬或數(shù)字輸入等形式，因此外接電路時不需要上拉電阻[3]。
3 PSoC內(nèi)部資源配置
本設(shè)計采用PSoC3系列的CY8C3866AXI-040芯片，其內(nèi)部具有可配置的數(shù)字子系統(tǒng)和模擬子系統(tǒng)。使用這些資源可以配置成不同的功能模塊，用以實現(xiàn)微控制器標準外圍器件的功能。因此，基于PSoC的應(yīng)用設(shè)計必須首先完成芯片內(nèi)部資源的規(guī)劃，這也使得其應(yīng)用設(shè)計流程不同于普通的單片機。
PSoC開發(fā)包括內(nèi)部資源規(guī)劃設(shè)計和應(yīng)用軟件設(shè)計兩部分。內(nèi)部資源規(guī)劃設(shè)計是根據(jù)用戶需求選擇合理的內(nèi)置模擬、數(shù)字資源，并進行合理配置和連線，讓其組成一個完整的硬件系統(tǒng)。在PSoC Creator項目管理器中的TopDsign.cysch文件即為原理圖文件，打開即可編輯原理圖。原理圖編輯一般分以下幾個過程：放置元器件-配置元器件-連線。在本系統(tǒng)中，利用16位的ADC，將引腳配置成模擬輸入端口，檢測AD698輸出的模擬電壓信號。利用UART模塊將模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出到上位機上并接收上位機的指令數(shù)據(jù)。采用PWM模塊控制步進電機的運行，LCD人機接口用于顯示采集數(shù)據(jù)狀態(tài)。
當原理圖編輯完成后，通過管腳映射完成軟件配置到硬件的物理連接，管腳映射是配置PSoC模塊的一個重要步驟。用戶在編輯原理圖和編寫軟件時完全可以不考慮物理引腳在什么地方，只需在編譯前將所用到的引腳與實際的物理引腳一一映射即可，打開以.cydwr為擴展名的文件，即可配置引腳[3]。
4 系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計
與傳統(tǒng)的單片機相比，PSoC片內(nèi)不僅有豐富的功能模塊，而且為各模塊的配置和調(diào)用都提供了豐富的API函數(shù)。在完成功能模塊的參數(shù)配置工作后，無需翻閱大量器件文檔并記住寄存器映射，系統(tǒng)會在工程項目中自動生成應(yīng)用程序接口API和中斷服務(wù)程序ISR。要使系統(tǒng)能夠具備自動測量、人機交互功能，還需編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序。PSoC應(yīng)用軟件設(shè)計是通過編寫用戶程序來合理調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)置API函數(shù)，讓配置好的硬件系統(tǒng)可靠、有序工作[5-6]。
應(yīng)用程序框圖如圖4所示。系統(tǒng)上電復(fù)位后，進行一些初始化操作，循環(huán)等待開始測量命令，然后調(diào)用相應(yīng)的執(zhí)行程序來完成對應(yīng)的測量、滾刀周節(jié)誤差計算等操作。
5 滾刀周節(jié)誤差自動測量實例
周節(jié)誤差是反映滾刀齒各齒間均勻程度的誤差項目，包含容屑槽周節(jié)誤差?駐tλ，周節(jié)累積誤差?駐Fp及?駐Fpk和周節(jié)修正累積誤差?駐fpt。根據(jù)相對測量法，即以刀齒上任一周節(jié)為基準來調(diào)整儀器的零位，依次測量其他周節(jié)相對于基準周節(jié)的差值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理求得周節(jié)誤差。電感傳感器識別精度為0.05 μm，總行程1.5 mm，16 bit A/D轉(zhuǎn)換器精度為0.023 μm，測量過程中，為了提高測量重復(fù)精度，對某一周節(jié)誤差讀取10個A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)樣本，然后對其進行求平均值處理，以濾除白噪聲對A/D轉(zhuǎn)換的影響[6]。以模數(shù)m=10 mm，齒數(shù)z=9，A級滾刀為例進行測量，測量系統(tǒng)軟件通過數(shù)據(jù)處理將得到所有的誤差數(shù)據(jù)如表1所示，因此測量系統(tǒng)精度小于0.1 μm。
與傳統(tǒng)的集成電路的測量方法相比，Cypress PSoC最大程度地實現(xiàn)了系統(tǒng)單片化的目標，基于PSoC的滾刀周節(jié)誤差自動測量系統(tǒng)具有很大優(yōu)勢。利用PSoC豐富的片內(nèi)資源與AD698構(gòu)成的測量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，而且PSoC還提供內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲和對外聯(lián)機通信功能，因此系統(tǒng)具有體積小、功耗低、精度高、可靠性好等特點。PSoC的開發(fā)基于成熟而又豐富的用戶模塊，節(jié)省了電路調(diào)試及修改的精力和時間，提高了成功率、靈活性和可靠性。該設(shè)計可以在達到同樣精度要求的情況下，很大程度上降低成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻
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