多功能動態精度試驗系統的製作方法

2023-06-18 16:39:26

專利名稱：多功能動態精度試驗系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及動態精度研究試驗系統，用於動態測量系統精度損失，全系統動態誤差建模、 誤差分解和溯源、精度損失建模等方面的研究，為分析動態測量系統所具有的動態精度特性 提供手段。
背景技術：
當今資訊時代，測試技術作為信息技術的源頭，對現代科學技術起著異常重要的關鍵作 用，發展十分迅速。為了適應現代科技的需要，測試技術中的動態測量發展更為突出，應用 十分廣泛，作為測試技術的重要基礎理論一動態精度理論也必須與之相適應。
過去長期採用的經典誤差與精度理論，是以統計原理為理論知識，以正態分布為典型描 述、以隨機誤差為評定主體來評定測量結果精度，這顯然不適用於現代測試技術。
1995年由ISO等7個國際組織制定並實施的《GUM95》，對統一世界各國測量結果精 度評定起了積極作用，但是仍然主要以靜態測量為主要對象，這是在還沒有更科學合理方法 情況下所採取的權宜措施。為了改變這種狀況，近年來國內外對動態測量誤差和精度理論問 題給予了高度重視，國內外一系列相關學術研討活動，大大的推動了動態測量誤差與精度理 論及應用的研究和發展，但由於其複雜性，仍有很多問題需要深入研究解決。
全面系統地研究動態測量精度理論及應用，必須將動態系統內部組成因素和外部輸出特 性兩者結合進行分析。傳統的動態系統描述是把系統看成一個"黑箱"，採用時域或頻域分 析方法，根據輸入和輸出信號對系統進行建模。這種方法比較容易求得系統的傳遞函數，而 且能反映系統的實際工作狀態，但若進一步研究系統內部各組成單元對系統總輸出的影響則 不具有優越性，因為它不考慮系統內部各組成單元性能變化對整個系統的影響；傳統分析方 法建立的模型雖然具有其實時性的特點，但存在隨時間變化不確定性，各組成元件的磨損老 化和性能變化等均會導致系統傳遞函數的變化，其變化規律用"黑箱"分析建模方法難以求 取。

發明內容
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種多功能動態精度試驗系統， 用於研究動態系統的全系統動態誤差、精度損失、誤差分解和溯源等理論，為研究動態系統 所具有的動態精度特性及其相關分析提供手段。
本發明解決技術問題採用如下技術方案
本發明多功能動態精度試驗系統的結構特點是設置由伺服驅動器控制、帶動減速機旋轉的伺服電機，減速機的輸出軸通過波紋管聯軸 器與滾珠絲杆連接，在滾珠絲杆的螺母上固聯有可沿直線導軌軸向滑移的工作檯，工作檯由 位於滾珠絲杆兩側的直線導軌支撐；
設置各測量機構包括伺服電機中的內置增量式編碼器，以增量式編碼器測量伺服電機 在"時間內的反饋脈衝數；用於測量減速機的轉角的圓光柵編碼器；以及用於測量工作檯 的位移量的滾動式光柵線位移傳感器；
設置多路信號數據採集卡，各測量機構的檢測信號通過多路信號數據採集卡在PC機中 同步顯示。
本發明多功能動態精度試驗系統的結構特點也在於
所述伺服電機工作於位置控制模式，採用指令脈衝和指令方向信號輸入的控制方式。 設置伺服電機自動換向控制機構，包括在直線導軌上分別設置用於限制工作檯的前後移 動距離的前端限位器和尾端限位器；在工作檯的對應位置上分別設置前端遮光片和尾端遮光 片，前端限位器和尾端限位器採用反射式光電傳感器，兩隻反射式光電傳感器的集電極分別 接入在同一隻RS觸發器的輸入S。端和輸入J D端，RS觸發器的輸出Q端接入伺服驅動器
作為指令方向信號，實現伺服電機在運動中的自動換向。
在儀器設備的使用過程中，由於自然和人為等因素，系統的精度往往會隨著時間呈下降 趨勢。特別是現代精密裝備，由於組成系統及裝備的複雜多樣性，精度損失也以各種各樣的 形式存在，為了保證最終結果的準確性，必須依據可靠的手段來研究精度的變化，以便採用 相應措施加以補償。利用該動態精度研究試驗系統研究精度損失變化規律，有助於確定系統 的使用壽命和檢定周期，為測量系統的預防性維護提供科學依據。
本發明系統中包含了豐富的誤差源，包括減速機、絲槓等都不同程度地影響系統的總誤 差。本發明利用高精度光柵傳感器測量各部分的誤差，進而對研究系統中各部分誤差之間的 關係提供了保證。
本發明系統可以有三路信號輸出，包括伺服電機在"時間內的轉角^、減速機在Af時 間內的轉角0>2以及工作檯在厶 時間內的位移。通過比對電機編碼器輸出信號和圓光柵編碼
器輸出信號可以研究電機和減速機之間的傳動誤差，通過比對圓光柵編碼器和滾動式光柵線 位移傳感器輸出信號可以研究減速機和滾珠絲槓之間的傳動誤差，也可以通過比對電機編碼 器輸出信號與滾動式光柵線位移傳感器輸出信號來研究系統總的誤差大小。
增量式編碼器、圓光柵編碼器、滾動式光柵線位移傳感器的輸出信號均為三組差分方波信號A+、 A-、 B+、 B-、 Z+、 Z-，其中A、 B信號相差90。，當電機正傳時A相超前B相 90° ，當電機反轉時B相超前A相90。，將三組信號輸入到數據採集卡中，採集卡帶有32 位四元AB相位編碼計數器，可對三路信號進行同步採集，通過Labview編寫數據採集界面 來實時顯示三路信號的大小。
在A^內，電機旋轉角度為①,，減速機的減速比為i，減速機在Af內旋轉角度為02，滾
珠絲槓的導程為S，則直線圓導軌在A/內的位移為L，理論上應該有
formula see original document page 5
但是由於電機和減速機之間以及減速機和滾珠絲槓之間存在傳動誤差，而且它們的傳動 精度也會隨著時間慢慢降低，造成精度損失，因此它們的實際值和理論值之間存在較大偏差。 利用高精度傳感器配合數據採集卡可以測得它們實際值，從而進行對系統的動態精度進行研 究。
將伺服電機在A 時間內旋轉的角度(P,作為比對的標準值，減速機的實際旋轉角度(D,作
為比較值，在M時間內，電機內置增量式編碼器的輸出脈衝為N1，圓光柵編碼器輸出脈衝 為N2，將兩路脈衝信號同步輸入到採集卡中進行計數，然後在PC中同歩顯示出cD,和c^的
大小，轉角誤差為厶0 = 0,-/02。理論上A①為一個常數C，但是隨著使用時間的延長，造
成減速機齒輪的磨損等因素導致精度損失，AO成為一個隨t變化的量，也就是A(D:f(t)， 它反映了減速機在長期運行過程中的精度損失問題，通過長期的觀察實驗A①與t的關係可 以研究減速機在長期工作過程中的精度損失原因，找出引起減速機的精度損失來源，從而對 動態系統的精度分析進行更深入的研究。
將伺服電機的旋轉角度O,作為標準值，直線圓導軌位移L作為比較值，通過兩者之間
的關係研究整個系統的誤差特性及其精度損失。
將減速機的旋轉角度0)2作為標準值，直線圓導軌位移L作為比較值，從而研究滾珠絲
杆和直線圓導軌的傳動關係以及導軌的精度損失。
將伺服電機的旋轉角度①,作為標準值，減速機的旋轉角度02和直線圓導軌位移L作為
比較值，研究動態系統的誤差分解和溯源以及精度損失。
本發明多功能動態精度試驗裝置是一個非常典型的動態精度運動系統，通過它可以對動態系統的誤差來源、誤差特性等進行深入分析，對於研究動態誤差的分解和溯源、建立動態 測量系統最優化均勻設計理論等提供手段。
與己有技術相比，本發明有益效果體現在
1、 本發明採用工程中常用的運動部件和高精度的測量儀器，組成一個動態的運動系統 和測量系統。利用本發明動態精度實驗裝置可以分析某個運動部件的動態誤差，也可以分析 系統總的動態誤差，從而達到對動態系統誤差的分解和溯源、全系統動態誤差建模等動態精 度理論進行更深入研究的目的。
2、 本發明系統中採用高精度光柵傳感器作為測量部件，達到很高的精度等級，便於進 行系統的動態誤差分解和溯源等理論的研究。
3、 本發明系統中利用工程中常用的運動部件電機、減速機、滾珠絲槓等，分析它們 的動態精度特性、動態精度損失等，對動態系統的最優化設計理論具有指導意義。
4、 本發明系統可以採用Labview程式語言完成數據採集程序的編寫，界面簡潔友好， 信號分析和處理功能十分強大，利用LabSQL資料庫技術存儲實驗數據，便於對實驗數據進 行分析。


圖l為本發明系統結構示意圖。
圖2為本發明滾珠絲杆位置俯視結構示意圖。
圖3為本發明信號採集系統框圖。
圖4為本發明伺服電機自動換向控制機構電路原理框圖。 以下通過具體實施方式
，結合附圖對本發明作進一步說明。
圖中標號l伺服控制器、2伺服電機、3圓光柵編碼器、5聯軸器、6減速機、7波紋 管聯軸器、8滾珠絲杆、9前端限位器、IO直線導軌、ll前端遮光片、12工作檯、13讀數 頭、14尾端遮光片、15滾動式光柵線位移傳感器、16尾端限位器、17基座。
具體實施例方式
參見圖l、圖2，系統運動機構為設置由伺服驅動器l控制、帶動減速機6旋轉的伺 服電機2，減速機6為二級斜齒輪減速機，減速機6有兩端輸出，減速機6的一端輸出軸通 過聯軸器5與圓光柵編碼器3連接，另一端通過波紋管聯軸器7與滾珠絲杆8連接，滾珠絲 杆8與螺母通過鋼球實現滾動傳動；在滾珠絲杆8的螺母上固聯有可沿直線導軌10軸向滑 移的工作檯12，工作檯12由位於滾珠絲杆8兩側的直線導軌IO支撐，直線導軌10為兩端 支撐，中間懸空；利用滾動式光柵線位移傳感器15測量位移，其中，讀數頭13採用滾珠軸承定位和導向，摩擦小，靈敏度高，讀數頭13與工作檯12通過螺紋連接，滾動式光柵線位 移傳感器15固定於基座17上，利用讀數頭13和滾動式光柵線位移傳感器15的相對位移精 確測量工作檯12的直線位移量。
圖l、圖2所示，系統測量機構包括伺服電機2中的內置增量式編碼器，以增量式編 碼器測量伺服電機2在Af時間內的反饋脈衝數;用於測量減速機6的轉角的圓光柵編碼器3; 以及用於測量工作檯12的位移量的滾動式光柵線位移傳感器15。
參見圖3，系統信號採集為設置三路信號數據採集卡，三路信號差分輸入到採集卡中， 在Labview環境下編寫採集程序實現數據的精確定時採集，使動態系統的輸出信號能夠快 速、實時在PC機中同步顯示。考慮到動態精度損失及溯源需要長時間的數據參數，因此需 要提供強大的資料庫支持，可以採用LabSQL技術訪問資料庫，完成實驗數據的記錄、查詢 和修改。
具體實施中，採用通用型小慣量伺服電機2，採用指令脈衝和指令方向信號輸入的位置 控制模式，可以實現精確的位置控制。
設置伺服電機自動換向控制機構，包括在直線導軌IO上分別設置用於限制工作檯12的 前後移動距離的前端限位器9和尾端限位器16;在工作檯12的對應位置上分別設置前端遮 光片11和尾端遮光片14，前端限位器9和尾端限位器16採用反射式光電傳感器；
參見圖4，分別作為前端限位器9和尾端限位器16的兩隻反射式光電傳感器的集電極分 別接入同一隻RS觸發器的輸入&端和輸入i^端，RS觸發器的輸出Q端接入伺服驅動器1
作為指令方向信號，實現伺服電機2在運動中的自動換向。
本發明系統可用於對動態測量系統所具有的精度特性、誤差來源等進行更深入的分析。 在動態精度理論的基礎上，可以採用小波神經網絡和及多分辨分析方法對該動態精度研究試 驗系統進行誤差的分解和溯源，採用現代頻譜分析技術、遺傳算法及逆向神經網絡理論和小 波分析理論相結合的多種現代數學方法，對誤差分解和溯源及由此導出的精度損失函數進行 更深入的研究。
權利要求
1、多功能動態精度試驗系統，其特徵是設置由伺服驅動器(1)控制、帶動減速機(6)旋轉的伺服電機(2)，所述減速機(6)的輸出軸通過波紋管聯軸器(7)與滾珠絲杆(8)連接，在所述滾珠絲杆(8)的螺母上固聯有可沿直線導軌(10)軸向滑移的工作檯(12)，所述工作檯(12)由位於滾珠絲杆(8)兩側的直線導軌(10)支撐；設置各測量機構包括伺服電機(2)中的內置增量式編碼器，以所述增量式編碼器測量伺服電機(2)在Δt時間內的反饋脈衝數；用於測量減速機(6)的轉角的圓光柵編碼器(3)；以及用於測量工作檯(12)的位移量的滾動式光柵線位移傳感器(15)；設置多路信號數據採集卡，各測量機構的檢測信號通過多路信號數據採集卡在PC機中同步顯示。
2、 根據權利要求1所述的多功能動態精度試驗系統，其特徵是所述伺服電機(2)工作 於位置控制模式，採用指令脈衝和指令方向信號輸入的控制方式。
3、 根據權利要求2所述的多功能動態精度試驗系統，其特徵是設置伺服電機自動換向 控制機構，包括在直線導軌(10)上分別設置用於限制工作檯(12)的前後移動距離的前端 限位器(9)和尾端限位器(16);在所述工作檯(12)的對應位置上分別設置前端遮光片(11) 和尾端遮光片(14)，所述前端限位器(9)和尾端限位器(16)採用反射式光電傳感器，兩隻反射式光電傳感器的集電極分別接入在同一隻RS觸發器的輸入&端和輸入i^端，所述RS觸發器的輸出Q端接入伺服驅動器(1)作為指令方向信號，實現伺服電機(2)在運動 中的自動換向。
全文摘要
多功能動態精度試驗系統，其特徵是設置伺服電機，減速機的輸出軸通過波紋管聯軸器與滾珠絲杆連接，在滾珠絲杆的螺母上固聯有可沿直線導軌軸向滑移的工作檯，工作檯由位於滾珠絲杆兩側的直線導軌支撐；設置各測量機構包括伺服電機中內置增量式編碼器，用於測量減速機的轉角的圓光柵編碼器；以及用於測量工作檯的位移量的滾動式光柵線位移傳感器，設置多路信號數據採集卡，各測量機構的檢測信號通過多路信號數據採集卡在PC機中同步顯示。本發明用於研究動態系統的全系統動態誤差、精度損失、誤差分解和溯源等理論，為研究動態系統所具有的動態精度特性及其相關分析提供手段。
文檔編號G01M13/00GK101532912SQ20091011661
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月22日 優先權日2009年4月22日
發明者黨學明, 珊 姜, 程真英, 胡茂留, 費業泰, 振 賈, 陳曉懷, 黃曉明 申請人:合肥工業大學