基于μC/OS-Ⅱ时栅位移传感器数控转台控制系统研究与设计

摘要

加工中心和数控机床旋转运动由数控回转工作台提供，安装在转台中位移传感器的精度决定了数控转台的分度精度，位移传感器广泛采用的是感应同步器、光栅等传感器，这些传感器都是比较高精度，但是一般难以买到，而且价格不菲。经过十几年的发展，时栅位移传感器已在国家计量部门、国防军工、制造业三大领域的应用，展示了时栅位移传感器较为简单的加工工艺、比较强的抗干扰能力、误差小、以及较高的智能化水平等一系列优点，这些优点如果应用在实际生产中，那将具有非常好的发展前景。数控系统的主要功能部件是数控转台，所以在整个机床行业中，精密数控转台的研发及应用对机床行业的发展有着重大意义。为摆脱我国在机床行业中精密数控转台以及大型数控机床严重依赖国外进口的不利局面，开发出具有自主知识产权的高精度数控产品，提高我国核心竞争力，作者所在的项目研究团队在各类重要国家项目基金（“国家973计划”国家自然科学基金等）的资助下，经过大量反复的实验，将时栅位移传感器从无到有，从精度低到精度高，这些在时栅位移传感器的整个研发过程中积累了丰富的实践经验，目前项目组正在更加深入的对时栅位移传感器数控转台进行一系列的研究，以进一步提高数控转台的精度与实时性，满足机械工业生产的应用需求。　　本研究主要内容包括：⑴分析工业生产中数控转台常用的角位移传感器（感应同步器、光栅和时栅）的工作原理，通过对这三类角位移传感器的优缺点进行综合对比，为时栅位移传感器在高精度数控转台的研究与应用提供了坚实的理论依据。⑵介绍了目前较为流行和常用的嵌入式实时操作系统，分析各自的优缺点，选择以μC/OS-Ⅱ作为高精度时栅位移传感器数控转台的操作系统，为时栅位移传感器数控转台的实时性提供了条件，实现对数控转台的有效控制。⑶时栅位移传感器数控转台控制系统的设计，数控转台控制系统驱动器与主控制器的选型；速度环、位置环的设计；控制系统硬件与软件的设计；嵌入式操作系统的移植与实时多任务处理，来提高数控转台的实时性。⑷时栅位移传感器数控转台控制方法的研究，采用闭环控制方式和专家式智能自整定PID控制算法，实现对数控转台的精确控制。⑸运用时栅位移传感器数控转台跟Heidenhain光栅进行对比试验，通过大量实验研究找到误差规律。运用局部（对极内+对极点）拟合整体的修正方法来进行静态试验研究；通过对动态测量利用逐点修正法来实现测量误差的修正，对数控转台的精度进行进一步提高。

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1 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 数控转台研究的国内外现状

1.3 数控转台技术的发展

1.4 本文研究的主要内容

2 时栅位移传感器原理分析

2.1时空坐标转换理论

2.2时栅位移传感器的原理

2.3磁场式时栅传感器的原理

3嵌入式操作系统

3.1 嵌入式操作系统基础

3.2 嵌入式操作系统的分类

3.3 常见嵌入式实时操作系统

3.4 嵌入式实时操作系统μC/OS-II

4 数控转台控制系统的构成

4.1 数控转台驱动控制器件的选择

4.2 核心控制器件的选型

4.3 数控转台控制系统总体设计

4.4 数控转台控制系统操作系统的移植

4.5多任务数控转台的运行

5 数控伺服转台控制方法

5.1转台控制方法概述

5.2 PID控制器设计

5.3专家式智能自整定PID控制器设计

6 实验研究及精度分析

6.1实验测量系统设计

6.2定位控制系统实验

6.3实验研究

6.4 精度分析

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果