一種測角儀器標準器的製作方法

2023-05-25 06:16:31 2

專利名稱：一種測角儀器標準器的製作方法
技術領域：
本發明涉及檢定/校準測角儀器的標準器技術領域，尤其系一種具載荷力的廣角標準角，它適合現場檢定/校準車輪定位儀的測角儀器標準器。
背景技術：
具載荷力的廣角標準角能實現在任意角度內均可輸出具負載力的高精度標準角，主要用於法定計量檢測機構、生產企業及科研院所檢定/校準多種類型的測角儀器，汽車生產企業使用測角儀器最多，有汽車四輪定位儀、前輪定位儀、機動車方向盤轉向角檢測儀、汽車轉向角檢驗臺等。目前，國內在該領域比較成型的檢定/校準標準器主要是四輪定位儀檢定裝置，其他類型測角儀器標準器的報導還比較少。而現在的四輪定位儀檢定裝置，主要分為兩大類一種是可移動式的四輪定位儀檢定裝置；另一種是真實模擬四輪關係而研製的四輪定位儀檢定裝置。第一種可移動式四輪定位儀檢定裝置是在一個可傾轉的平板上，安裝4個模擬輪轂。平板繞Χ、γ軸傾轉，4個模擬輪轂繞Z軸轉動，用螺旋驅動測量機構和渦輪驅動測量機構測量絲杆螺母的升程，再通過反正切計算間接得到角度值的。該種裝置的特點是可帶至現場檢測四輪定位儀，缺點是測量精度受絲杆加工工藝和使用磨損影響。第二種四輪定位儀檢定裝置是真實模擬四輪定位關係的檢定裝置，它真實地反映了車輪前束，車輪外傾角，主軸後傾角等各項參數，檢測精度較高(檢測精度為0.5 '，而第一種為I丨)，可適用檢定不同型號的四輪定位儀，但它同樣存在缺點對環境條件的要求高，而現場的環境條件一般不符合檢定要求；另外裝置比較重，結構複雜，不可能搬到檢定現場使用；無法滿足計量部門現場檢定/校準四輪定位儀的需要。而且該裝置無法滿足數據顯示在固定屏幕上，使用起來不方便。總的來說，以上兩方案均屬於精密測量範疇的儀器，都沒有對輸出角度實施閉環控制，只依賴於對機械製造加工工藝的高要求、環境條件的高要求。那麼使用日久之後，或環境發生輕微變化時，或搬動過後，裝置的準確度都會受到不同程度的影響。無法滿足計量部門現場檢四輪定位儀的需要。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術存在的種種不足，而提供一種測角儀器標準器，它具有測量精度高、操作簡單、體積小(長χ寬X高=400mm X 400mm x 500mm左右，且高度不包括臺體調平用的地腳的高度)、質量輕(30 Kg)、運輸方便、用途廣泛(既能現場檢定/校準車輪定位儀,又適合檢定/校準其他領域的測角儀器；上述所指車輪定位儀是與汽車車輪定位或其他與車輛角度測量相關的一類計量器具的總稱，包括例如四輪定位儀，前輪定位儀，方向盤轉向角測試儀等一系列的計量器具)的優點。本發明的目的是這樣實現的。
一種測角儀器標準器，包括轉動裝置和控制系統，其特徵是，所述轉動裝置為雙軸機械轉動裝置，該裝置包括相互交連且垂直的方位旋轉軸系和俯仰旋轉軸系，每個旋轉軸系設有各自的電磁鎖緊裝置、角接觸軸承、永磁直流力矩電機和測角元件，方位旋轉軸系與用於放置被檢儀器的工作檯面連接；所述各旋轉軸系的測角元件構成測角系統。檢定/校準時，被測儀器儀表安裝在工作檯面上，各軸系轉動帶動其按指定角度值轉動，讀取被測儀器儀錶轉過的角度值，與工作檯面標準角度值比較，得出被測儀器儀表示值誤差。每軸設有各自的永磁直流力矩電機、電磁鎖緊裝置、精密角接觸軸承和測角元件。安裝在各軸框架上的永磁直流力矩電機是在低速情況下輸出較大轉矩的低速直流伺服電動機，不經齒輪減速與轉軸直接耦合，能有效執行各種運動指令；電磁鎖緊裝置用於斷電狀態下鎖緊輸出軸，以利於被測儀器儀表的安裝測試；軸系的定位精度是影響精度指標的重要因素，由於臺體重量及負載均由軸承來承受，因此各軸選用兩個角接觸向心推力球軸承。測角元件安裝在各轉軸上，用於將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈衝數字量，提供系統反饋信號和狀態信息。本發明的目的還可以採用以下技術措施解決
作為更具體的實施方案，所述方位旋轉軸系包括方位軸(主軸)、方位軸轉臺和主軸框架；俯仰旋轉軸系包括俯仰軸框架和同軸設置的左右兩俯仰軸(耳軸)；俯仰軸框架呈U型，其開口向上，底部與底座固定連接，俯仰軸框架上左右兩端對應俯仰軸設置有軸座；主軸框架呈T型結構，其設置在俯仰軸框架內側，主軸框架左右兩側與俯仰軸固定連接，方位軸和方位軸轉臺同軸設置在主軸框架中心；方位軸轉臺為所述工作檯面,並位於主軸框架上方。兩軸系採用U-T結構安裝，方位軸安裝在T形框架(主軸框架)上，可以產生標準前束角；俯仰軸裝在U形框架(俯仰軸框架)上，提供準確的外傾角；方位軸轉動90後，繞俯仰軸旋轉可以產生後傾角。所述方位軸上端伸出主軸框架外並與工作檯面連接，方位軸下端位於主軸框架內並與第一永磁直流力矩電機連接；方位軸外周上設置有第一電磁鎖緊裝置、第一角接觸軸承和第一測角元件。所述俯仰軸框架的兩軸座上分別對應兩俯仰軸設置有第二角接觸軸承；任一俯仰軸與第二永磁直流力矩電機連接，任一俯仰軸外周上設置有第二電磁鎖緊裝置和第二測角元件。所述底座底部還設置有調平腳，以便調平測角儀器標準器。所述角接觸軸承為角接觸向心推力球軸承；測角元件為光電編碼器、圓光柵傳感器或感應同步器。測角系統最關鍵的是選取測角元件，測角元件的精度和性能直接影響著旋轉調製裝置的控制精度和動態性能。目前，常用的高精度測角元件包括光電編碼器、圓光柵傳感器、感應同步器等。考慮到綜合性價比，優選光電編碼器作為測角元件。所述工作檯面上設置有用於夾緊被檢儀器的夾具，夾具由一對大小擋板構成。擋板間距可調，以夾緊不同外形尺寸的被測儀器儀表，檢定/校準時，被測儀器儀表安裝在上面。
所述控制系統由智能邏輯控制器(即運動控制器或邏輯控制單元)、測控驅動裝置、直流穩壓電源、人機通訊單元組成；智能邏輯控制器為可編程邏輯控制器PLC，可編程邏輯控制器PLC包括通訊模塊、位控模塊和輸入輸出模塊；測控驅動裝置包括電機驅動單元(即數字伺服放大驅動器)和所述測角系統；人機通訊單元包括人機界面和串行通訊接口模塊，人機界面採用工業觸控屏設備。上述人機通訊單元是系統測控軟體的運行載體，測控軟體通過若干智能軟體模塊實現各軸的控制功能，觸控螢幕通過遠控接口模塊接收用戶設備或本控的標準輸入設備(如鍵盤、滑鼠等)輸入的啟動/停止、運動參數設置及各軸精密測角系統的反饋信息，經有效的信息處理後，通過通訊接口模塊向邏輯控制器3發送控制指令，同時擔任運動狀態顯示、故障診斷和顯示等任務。智能邏輯控制器的核心元件是可編程序控制器PLC，用於規劃和生成各軸的旋轉運動、指定角度定位、復位等運動軌跡，包括通訊模塊、位控模塊和輸入輸出模塊，通訊模塊接收觸控螢幕的控制指令信息，經指令信息辨別，向位控模塊發送位控指令，位控模塊接收到 指令後產生伺服控制信號至電機驅動單元(兩軸各自的數字伺服放大驅動器)。數字伺服放大驅動器，數字伺服放大驅動器將接收到的伺服控制信號放大後，驅動雙軸機械轉動裝置的永磁直流力矩電機按照指令以位置模式運轉。精密測角系統實時測試輸出軸角信息反饋至邏輯控制器，邏輯控制器與雙軸機械轉動裝置方位軸和俯仰軸相對應的數字伺服放大驅動器、精密測角系統組成雙軸測控閉環，使方位軸和俯仰軸構成精確的任意空間平面角。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果如下
I)採用了低速大扭矩驅動技術，低速直流伺服電動機能在長期堵轉或者低速情況下輸出較大轉矩，且不需要經過齒輪減速可直接與負載耦合，有效提高了系統精度及運行平穩性，實現寬角高精度高負載力直接角度測量，角度測量範圍達0-360° ;並因其加速能力大的優點，有效實現高精度位置的伺服控制，角位置控制精度達±10"。2)由於本系統應用自動控制的原理，對輸出角度進行精密測量的同時實施閉環控制，進一步提高輸出角準確度高和穩定性。3)本系統為兩軸繫結構，採用U-T結構安裝和配合相應的控制，實現空間三維軸角精密測量。簡化了系統結構，減低系統體積和重量，大大降低了製造成本。4)本系統運用觸控螢幕和PLC相結合技術，實現系統智能化控制與操作。由於使用觸控螢幕和PLC相結合技術，操作簡易方便，觸控螢幕的運用使作業系統為可視化界面，且具中文菜單，觸摸方式輸入和USB滑鼠操作，使用人員只須有簡單的計算機操作知識就可以完成檢定；另外因為觸控螢幕具有程序運行方式，且容量大，給程序設計和調用帶來極大方便。5)採用自動控制、精密測量和計量檢定相結合技術，首次實現在任意角度內均可輸出具高精度高負載力的標準角技術，開展對各種車輪定位儀等多種類型的測角儀器進行計量檢定/校準。本系統完全符合各種車輪定位儀國家檢定規程的要求，遵循的規程有中華人民共和國計量檢定規程——《JJF1154-2006四輪定位儀校準規範》、《JJF1141-2006汽車轉向角檢驗臺校準規範》、《JJG (交通)007-1996汽車轉向盤轉向力一轉向角檢測儀》、《JJG (交通)020-1999轉向力角儀、制動踏板力計檢定儀檢定規程》、((JJG (遼)-1995水準式汽車前輪定位測量儀檢定規程》等。綜上所述，本發明採用了低速大扭矩驅動技術、自動控制技術、精密測量技術、觸控螢幕人工智慧技術與PLC控制相結合技術，實現在任意角度內均可輸出具高精度高負載力的標準角技術，對各種車輪定位儀等多種類型的測角儀器進行計量檢定/校準。


圖I為本發明測角儀器標準器側視結構示意圖。 圖2為本發明測角儀器標準器俯視結構示意圖。圖3為圖2的A-A剖視結構示意圖。圖4為本發明測角儀器標準器工作原理框圖。圖5為方位旋轉軸系組成示意圖。圖6為控制系統工作流程框圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述。如圖I至圖6所示，本測角儀器標準器，包括轉動裝置和控制系統，其特徵是，所述轉動裝置為雙軸機械轉動裝置，該裝置包括相互交連且垂直的方位旋轉軸系和俯仰旋轉軸系，每個旋轉軸系設有各自的電磁鎖緊裝置、角接觸軸承、永磁直流力矩電機和測角元件，方位旋轉軸系與用於放置被檢儀器I的工作檯面2連接；所述各旋轉軸系的測角元件構成測角系統。方位旋轉軸系包括方位軸4、方位軸轉臺和主軸框架3 ;俯仰旋轉軸系包括俯仰軸框架9和同軸設置的左右兩俯仰軸11 ;俯仰軸框架9呈U型，其開口向上，底部與底座13固定連接，俯仰軸框架9上左右兩端對應俯仰軸11設置有軸座；主軸框架3呈T型結構，其設置在俯仰軸框架9內側，主軸框架3左右兩側與俯仰軸11固定連接，方位軸4和方位軸轉臺同軸設置在主軸框架3中心；方位軸轉臺為所述工作檯面2，並位於主軸框架3上方。底座13底部還設置有調平腳16。方位軸4上端伸出主軸框架3外並與工作檯面2連接，方位軸4下端位於主軸框架3內並與第一永磁直流力矩電機8連接；方位軸4外周上設置有第一電磁鎖緊裝置7、第一角接觸軸承5和第一測角元件6。俯仰軸框架9的兩軸座上分別對應兩俯仰軸11設置有第二角接觸軸承12 ;任一俯仰軸11與第二永磁直流力矩電機14連接，任一俯仰軸11外周上設置有第二電磁鎖緊裝置12和第二測角元件15。角接觸軸承為角接觸向心推力球軸承；測角元件為光電編碼器。工作檯面2上設置有用於夾緊被檢儀器I的夾具，夾具由一對大小擋板構成。控制系統由智能邏輯控制器(運動控制器或邏輯控制單元)、測控驅動裝置、直流穩壓電源、人機通訊單元組成；智能邏輯控制器為可編程邏輯控制器PLC，可編程邏輯控制器PLC包括通訊模塊、位控模塊和輸入輸出模塊；測控驅動裝置包括電機驅動單元(數字伺服放大驅動器)和所述測角系統；人機通訊單元包括人機界面和串行通訊接口模塊，人機界面採用工業觸控屏設備。控制系統還包括電磁鎖緊裝置控制電路等。用本標準器校準被檢四輪定位儀的校準過程。本實施例採用本標準器對被檢四輪定位儀進行校準。按校準規範要求，應校準單輪前束角、車輪外傾角和主軸後傾角三個定位參數。檢定前準備檢定人員將標準器開機通電、各軸調水平，將被檢四輪定位儀傳感機頭垂直放在本標準器工作檯面上，由大小擋板預夾緊，將被檢和標準儀器水準泡調至零位，將標準儀器各參數置零，然後轉動傳感器機頭，使它上面的縱向水準泡調至零位後鎖緊，接通四輪定位儀電源，進入測量程序。I、單輪前束角示值誤差測量在全量程(3° -3° )選取5個點，依次調整標準器的單輪前束角(方位軸轉動產生的)至3°、1.5°、0°、-1. 5°、-3°各點，讀取四輪定位儀各點單輪前束角示值，重複進行正反向各點兩次測量(共4次)，其平均值與標準器前束角值比較，求出被檢四輪定位儀單輪前束角示值誤差。2、車輪外傾角示值誤差測量。在全量程(10° -10° )選取5個點，依次調整標準器的車輪外傾角(方位軸0°時，轉動俯仰軸產生的)至10°、5°、0°、-5。、-10°各點，讀取四輪定位儀各點車輪外傾角示值，重複進行正反向各點兩次測量(共4次)，其平均值與標準器車輪外傾角值比較，求出被檢四輪定位儀車輪外傾角示值誤差。3、主軸後傾角示值誤差測量。在全量程(15 ° -15° )選取5個點，依次調整標準器的主軸後傾角(方位軸90 °時，轉動俯仰軸產生的)至15°、7. 5°、0°、-7. 5°、-15°各點，讀取四輪定位儀各點主軸後傾角示值，重複進行正反向各點兩次測量(共4次)，其平均值與標準器主軸後傾角值比較，求出被檢四輪定位儀主軸後傾角值示值誤差。用本標準器檢定被檢水準式汽車前輪定位測量儀的過程。採用本標準器對被檢水準式汽車前輪定位測量儀進行檢定。按檢定規程要求，應檢定前輪外傾角、主軸後傾角和主軸內傾角三個定位參數。檢定前準備檢定人員將標準器開機通電、各軸調水平，將被檢水準式汽車前輪定位測量儀水平放在本標準器工作檯面上，由大小擋板預夾緊，將其水準泡D調至零位後鎖緊，然後調整被檢水準式汽車前輪定位測量儀水準泡A、B、C和標準器水準泡至零位，並將標準儀器各參數置零，進入測量程序。 I、前輪外傾角示值誤差測量。在全量程(5° -5° )選取5個點，依次調整標準器的車輪外傾角(方位軸0°時，轉動俯仰軸產生的)至5°、2.5°、0°、-2. 5°、-5。各點，讀取被檢水準式汽車前輪定位測量儀水準泡A各點示值，重複進行正反向各點兩次測量(共4次)，其平均值與標準器車輪外傾角值比較，求出被檢水準式汽車前輪定位測量儀前輪外傾角示值誤差。2、主軸後傾角示值誤差測量。在全量程(10° -3° )選取5個點，依次調整標準器的主軸後傾角(方位軸90°時，轉動俯仰軸產生的)至10°、6°、3°、0°、-3°各點，讀取被檢水準式汽車前輪定位測量儀水準泡B各點示值，重複進行正反向各點兩次測量(共4次)，其平均值與標準器主軸後傾角值比較，求出被檢被檢水準式汽車前輪定位測量儀主軸後傾角值示值誤差。3、主軸內傾角示值誤差測量。在全量程(16° 0° )選取5個點，依次調整標準器的主軸內傾角(方位軸±20°時，轉動俯仰軸產生的)至16°、10°、5°、2°、0°各點，讀取被檢水準式汽車前輪定位測量儀水準泡C各點示值，重複進行正反向各點兩次測量(共4次)，其平均值與標準器主軸內傾角值比較，求出被檢水準式汽車前輪定位測量儀主軸內傾角示值誤差。用本標準器校準被檢汽車前輪轉角儀的校準過程。採用本標準器對被檢汽車前輪轉角儀進行校準。按校準規範要求，應校準前輪轉角儀不值誤差。檢定前準備檢定人員將工作檯面上大小擋板卸下，開啟標準器電源，將標準儀器調水平及各參數置零，然後將被檢前輪轉角儀水平放在本標準器工作檯面上，相對固定，進入測量程序。在全量程(45° -45° )選取9個點，依次調整標準器的轉角(方位軸轉動產生的)至45°、30°、15°、5°、0°、-5°、-15°、-30°、-45°各點，讀取前輪轉角儀各點示值，重複進行正反向各點兩次測量(共4次)，其平均值與標準器轉角值比較，求出被檢前輪轉角儀示值誤差。用本標準器檢定被檢電子水平尺的過程。採用本標準器對被檢電子水平尺示值誤差和測角重複性進行校準。檢定前準備檢定人員將標準器開機通電、各軸調水平及各參數置零，將被檢電子水平尺水平放在本標準器工作檯面上，由大小擋板預夾緊，然後轉動被檢電子水平尺，使它上面的縱向水準泡調至零位後鎖緊，進入測量程序。I、示值誤差測量。在全量程(-10° 100° )選取8個點，依次調整標準器的傾角(方位軸0°時，轉動俯仰軸產生的)至-9°、-5°、0°、20°、40°、60°、80°、99°各點，讀取被檢電子水平尺各點示值，此為正程；再反向依次調整標準器傾角至99°、80°、60°、40°、20°、0°、-5。、-9°各點，讀取被檢電子水平尺各點示值，此為反程。以上為一個循環，共循環3次。將各點3次循環的平均值與標準器傾角值比較，求出被檢電子水平尺示值誤差。2、測角重複性測量。根據以上各點3次循環的校準數據，用白塞爾公式求出該點的測角標準差Si,則電子水平尺的測角重複性S按下式計算。
權利要求
1.一種測角儀器標準器，包括轉動裝置和控制系統，其特徵是，所述轉動裝置為雙軸機械轉動裝置，該裝置包括相互交連且垂直的方位旋轉軸系和俯仰旋轉軸系，每個旋轉軸系設有各自的電磁鎖緊裝置、角接觸軸承、永磁直流力矩電機和測角元件，方位旋轉軸系與用於放置被檢儀器(I)的工作檯面(2)連接；所述各旋轉軸系的測角元件構成測角系統。
2.根據權利要求I所述的測角儀器標準器，其特徵是，所述方位旋轉軸系包括方位軸(4)、方位軸轉臺和主軸框架(3);俯仰旋轉軸系包括俯仰軸框架(9)和同軸設置的左右兩俯仰軸(11);俯仰軸框架(9)呈U型，其開口向上，底部與底座(13)固定連接，俯仰軸框架(9) 上左右兩端對應俯仰軸(11)設置有軸座；主軸框架(3)呈T型結構，其設置在俯仰軸框架 (9 )內側，主軸框架(3 )左右兩側與俯仰軸(11)固定連接，方位軸(4 )和方位軸轉臺同軸設置在主軸框架(3)中心；方位軸轉臺為所述工作檯面(2)，並位於主軸框架(3)上方。
3.根據權利要求2所述的測角儀器標準器，其特徵是，所述方位軸(4)上端伸出主軸框架(3 )外並與工作檯面(2 )連接，方位軸(4)下端位於主軸框架(3 )內並與第一永磁直流力矩電機(8)連接；方位軸(4)外周上設置有第一電磁鎖緊裝置(7)、第一角接觸軸承(5)和第一測角兀件(6)。
4.根據權利要求2所述的測角儀器標準器，其特徵是，所述俯仰軸框架(9)的兩軸座上分別對應兩俯仰軸(11)設置有第二角接觸軸承(12);任一俯仰軸(11)與第二永磁直流力矩電機(14)連接，任一俯仰軸(11)外周上設置有第二電磁鎖緊裝置(10)和第二測角元件(15)。
5.根據權利要求2所述的測角儀器標準器，其特徵是，所述底座(13)底部還設置有調平腳(16)。
6.根據權利要求I所述的測角儀器標準器，其特徵是，所述角接觸軸承為角接觸向心推力球軸承；測角元件為光電編碼器、圓光柵傳感器或感應同步器。
7.根據權利要求I所述的測角儀器標準器，其特徵是，所述工作檯面(2)上設置有用於夾緊被檢儀器(I)的夾具，夾具由一對大小擋板構成。
8.根據權利要求I所述的測角儀器標準器，其特徵是，所述控制系統由智能邏輯控制器、測控驅動裝置、直流穩壓電源、人機通訊單元組成；智能邏輯控制器為可編程邏輯控制器PLC，可編程邏輯控制器PLC包括通訊模塊、位控模塊和輸入輸出模塊；測控驅動裝置包括電機驅動單元和所述測角系統；人機通訊單元包括人機界面和串行通訊接口模塊，人機界面採用工業觸控屏設備。
全文摘要
本發明公開了一種測角儀器標準器，包括轉動裝置和控制系統，其特徵是，所述轉動裝置為雙軸機械轉動裝置，該裝置包括相互交連且垂直的方位旋轉軸系和俯仰旋轉軸系，每個旋轉軸系設有各自的電磁鎖緊裝置、角接觸軸承、永磁直流力矩電機和測角元件，方位旋轉軸系與用於放置被檢儀器的工作檯面連接；所述各旋轉軸系的測角元件構成測角系統。本標準器採用了低速大扭矩驅動技術、自動控制技術、精密測量技術、觸控螢幕人工智慧技術與PLC控制相結合技術，實現在任意角度內均可輸出具高精度高負載力的標準角技術，對各種車輪定位儀等多種類型的測角儀器進行計量檢定/校準。
文檔編號G01C25/00GK102620703SQ20121006498
公開日2012年8月1日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者何衛平, 冼志勇, 李志強, 李旭輝, 李莉, 潘小珍 申請人:佛山市質量計量監督檢測中心