楊繼森　張　靜

重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心,重慶,400050

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時(shí)柵角位移傳感器自動(dòng)檢定系統(tǒng)

楊繼森張靜

重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心,重慶,400050

針對(duì)時(shí)柵角位移傳感器產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中產(chǎn)品質(zhì)量檢定環(huán)節(jié)采用人工檢定方式導(dǎo)致工作效率低且容易產(chǎn)生漏記、錯(cuò)記進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量檢定的問(wèn)題，研制了時(shí)柵角位移傳感器自動(dòng)檢定系統(tǒng)。系統(tǒng)采用PMAC作為運(yùn)動(dòng)控制單元，以直驅(qū)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，有效減小傳動(dòng)環(huán)節(jié)誤差，質(zhì)量檢定選用ELCOMAT3000型雙軸電子自準(zhǔn)直儀，全量程檢定誤差小于±0.25″。構(gòu)建了參數(shù)化的直線梯形加速運(yùn)動(dòng)模型與產(chǎn)品質(zhì)量檢定算法，整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量檢定全部自動(dòng)完成，檢定精度高，工作效率得到有效提升，產(chǎn)品質(zhì)量得到可靠的保證。

時(shí)柵角位移傳感器;開(kāi)放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器；自動(dòng)檢定；自準(zhǔn)直儀

0　引言

時(shí)柵位移傳感器作為一種新型的角位移傳感器，采用了“用時(shí)間測(cè)空間”的時(shí)柵測(cè)量理論，有別于傳統(tǒng)柵式位移傳感器(光柵、磁柵、容柵等)的高精度刻劃柵線的結(jié)構(gòu)，使加工難度和成本大幅度降低，因無(wú)需電子細(xì)分箱而使結(jié)構(gòu)顯著簡(jiǎn)化，可以達(dá)到以低精度的機(jī)械加工獲得高精度的測(cè)量效果[1-2]。

經(jīng)過(guò)多年的學(xué)術(shù)積累與研究積淀,時(shí)柵位移傳感器形成了從學(xué)術(shù)理論到產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展歷程。與哈爾濱量具刃具集團(tuán)(簡(jiǎn)稱哈量集團(tuán))合作建立的儀器儀表車間已經(jīng)完成年產(chǎn)500臺(tái)(套)高精度時(shí)柵角位移傳感器的生產(chǎn)能力，形成整體式、分體式、軸式、孔式等多種規(guī)格的時(shí)柵角位移傳感器產(chǎn)品，該產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用于哈量集團(tuán)的3903、3906等多種型號(hào)的齒輪測(cè)量中心。隨著市場(chǎng)需求的進(jìn)一步增長(zhǎng)，時(shí)柵位移傳感器的產(chǎn)能提升也迫在眉睫，傳感器出廠前的產(chǎn)品精度檢定是傳感器質(zhì)量保證的主要技術(shù)手段，目前主要采用光電自準(zhǔn)直儀作為檢定儀器，人工手動(dòng)轉(zhuǎn)位、人工記錄數(shù)據(jù)的形式使得工作效率低，而且由于人工記錄數(shù)據(jù)，經(jīng)常容易發(fā)生記錯(cuò)數(shù)據(jù)的情況，造成產(chǎn)品質(zhì)量檢定問(wèn)題[3-4]。為了滿足產(chǎn)能提升的需求，筆者研制了時(shí)柵位移傳感器自動(dòng)檢定系統(tǒng)，以提高工作效率,提升產(chǎn)品質(zhì)量。

1　系統(tǒng)方案

典型的時(shí)柵角位移傳感器產(chǎn)品如圖1所示。

圖1　軸式、孔式時(shí)柵位移傳感器

時(shí)柵位移傳感器自動(dòng)檢定系統(tǒng)主要包括4個(gè)部分：結(jié)構(gòu)基體、運(yùn)動(dòng)控制單元、誤差檢定單元和系統(tǒng)控制軟件單元，結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了保證整個(gè)檢定系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精密性，設(shè)計(jì)了精密花崗石平臺(tái)及花崗石支架組成整個(gè)檢定系統(tǒng)的基體；為了減小傳動(dòng)環(huán)節(jié)的傳動(dòng)誤差對(duì)產(chǎn)品精度檢定的影響，運(yùn)動(dòng)控制單元選擇直驅(qū)電機(jī)作為運(yùn)動(dòng)部件，待檢時(shí)柵角位移傳感器和光柵傳感器直接連接在電機(jī)軸，光柵傳感器作為電機(jī)的位置反饋單元，系統(tǒng)控制軟件通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制模塊連接伺服放大器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)；根據(jù)角位移傳感器的檢定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),誤差檢定單元采用光電自準(zhǔn)直儀配合多面棱體的方式，光電自準(zhǔn)直儀的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)接口直接輸入工控機(jī),同時(shí)待檢時(shí)柵位移傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)也通過(guò)接口輸入工控機(jī);系統(tǒng)控制軟件通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制接口程序?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)命令傳送到運(yùn)動(dòng)控制模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置，同時(shí)采樣時(shí)柵位移傳感器與自準(zhǔn)直儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，繪制測(cè)量曲線，進(jìn)行產(chǎn)品的重復(fù)性、測(cè)量精度等檢定，給出檢定結(jié)果。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

2　系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1花崗石基體

為了保證檢定系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精密性，檢定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基體選擇泊頭市建新鑄造量具有限責(zé)任公司生產(chǎn)的精密花崗石平臺(tái)與花崗石支架。整個(gè)基體采用三層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便時(shí)柵位移傳感器與光電自準(zhǔn)直儀的安裝。

2.2PMAC運(yùn)動(dòng)控制

運(yùn)動(dòng)控制單元是檢定系統(tǒng)的重要組成部分，為了減小傳動(dòng)誤差環(huán)節(jié)對(duì)檢定系統(tǒng)的影響，采用直驅(qū)傳動(dòng)方式,選用美國(guó)Kollmorgen公司的直驅(qū)伺服系統(tǒng)，電機(jī)選用ServoStar CD系列Motor RBE-01215-B型直驅(qū)電機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制部分采用PMAC控制卡[5]，PMAC(programmable multi-axes controller)是美國(guó)Delta Tau公司推出的開(kāi)放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器，它提供運(yùn)動(dòng)控制、離散控制、內(nèi)務(wù)處理、同主機(jī)的交互等數(shù)字化控制功能。由于角位移傳感器標(biāo)定系統(tǒng)只需要一個(gè)回轉(zhuǎn)軸，綜合考慮成本、開(kāi)發(fā)難度等因素，選擇具有兩軸控制功能的MINI PMAC PCI，控制卡通過(guò)PCI總線與工控機(jī)相連。為了實(shí)現(xiàn)伺服多環(huán)精密控制，選擇德國(guó)HEIDENHAIN公司的高精度角度光柵傳感器RON886和光柵信號(hào)細(xì)分電路盒IBV102，光柵傳感器的原始信號(hào)作為伺服放大器的反饋，經(jīng)過(guò)細(xì)分的信號(hào)作為PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的反饋，構(gòu)成多環(huán)閉環(huán)控制，其閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　運(yùn)動(dòng)控制框圖

2.3檢定裝置

根據(jù)JJF1352-2012角位移傳感器校準(zhǔn)規(guī)范[6],對(duì)時(shí)柵角位移傳感器進(jìn)行檢定采用多面棱體與光電自準(zhǔn)直儀相結(jié)合的方法,光電自準(zhǔn)直儀選擇德國(guó)MOLLER公司生產(chǎn)的ELCOMAT3000型雙軸電子自準(zhǔn)直儀，其測(cè)量范圍為±1000″,全量程測(cè)量精度為±0.25″，分辨力在0.005～10″間,有11個(gè)擋位可選[7]。自準(zhǔn)直儀帶RS232接口可以將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī),避免由于人工記錄數(shù)據(jù)而產(chǎn)生錯(cuò)記、漏記等狀況。

3　檢定模型與算法

3.1 精度檢定

全量程測(cè)量精度是時(shí)柵角位移傳感器最為重要的產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)。根據(jù)多面棱體的工作面數(shù)N,驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)棱體轉(zhuǎn)位到第一工作面,對(duì)準(zhǔn)自準(zhǔn)直儀,啟動(dòng)系統(tǒng)控制軟件,同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)接口接收并記錄時(shí)柵位移傳感器測(cè)量值α1與自準(zhǔn)直儀的測(cè)量值β1,完成棱體當(dāng)前工作面的測(cè)量數(shù)據(jù)記錄,控制系統(tǒng)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)位移為

(1)

其中，N為棱體工作面數(shù);i為棱體當(dāng)前對(duì)準(zhǔn)的工作面位置,i=1,2,…,N。同樣記錄時(shí)柵位移傳感器測(cè)量值α2與自準(zhǔn)直儀的測(cè)量值β2,以同樣步驟,對(duì)多面棱體的每一個(gè)工作面進(jìn)行測(cè)量與數(shù)據(jù)記錄,可以獲得時(shí)柵位移傳感器測(cè)量值與自準(zhǔn)直儀測(cè)量值兩個(gè)數(shù)據(jù)序列,從而計(jì)算出全量程范圍內(nèi)傳感器的測(cè)量誤差：

(2)

式中,αi為棱體對(duì)準(zhǔn)第i工作面時(shí),時(shí)柵位移傳感器的測(cè)量示值;βi為棱體對(duì)準(zhǔn)第i工作面時(shí),自準(zhǔn)直儀的測(cè)量示值；δi為棱體第i工作面的誤差修正值。

從測(cè)量得到的誤差序列中找出最大值與最小值之差，即為該傳感器的產(chǎn)品測(cè)量誤差：

e=max(e1,e2,…,eN)-min(e1,e2,…,eN)

(3)

3.2重復(fù)性檢定

測(cè)量重復(fù)性是指在相同測(cè)量方法、相同觀測(cè)者、相同測(cè)量?jī)x器、相同場(chǎng)所、相同工作條件和短時(shí)期內(nèi)，對(duì)同一被測(cè)量連續(xù)測(cè)量所得結(jié)果之間的一致程度[8]。在現(xiàn)有工程應(yīng)用中對(duì)圓分度儀器進(jìn)行重復(fù)性檢定時(shí)，常常采用的方法是對(duì)某一點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量，然后求標(biāo)準(zhǔn)偏差，再用標(biāo)準(zhǔn)偏差乘以置信因子作為被測(cè)儀器重復(fù)性的檢定標(biāo)準(zhǔn)[9]。這也是大多數(shù)非角度計(jì)量?jī)x器進(jìn)行重復(fù)性檢定的一種方法。對(duì)時(shí)柵角位移傳感器進(jìn)行重復(fù)性檢定最初也是采用這種方法。但是由于時(shí)柵角位移傳感器是圓分度計(jì)量，需要檢定在0～360°測(cè)量范圍內(nèi)的重復(fù)性,對(duì)某一工作點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行檢定，具有較大的局限性。為了使檢定結(jié)果更具有代表性,本文提出了采用雙觀測(cè)法作為時(shí)柵角位移傳感器的重復(fù)性檢定標(biāo)準(zhǔn)方法。雙觀察法的測(cè)試過(guò)程與精度檢定過(guò)程類似，用相同的測(cè)試方法，連續(xù)對(duì)傳感器進(jìn)行兩次精度檢定，并計(jì)算出兩次測(cè)量誤差序列:e1,e2,…,eN與ε1,ε2,…,εN。由誤差序列可計(jì)算兩次測(cè)量值差值的標(biāo)準(zhǔn)差為

(4)

di=ei-εii=1,2,…,N

由標(biāo)準(zhǔn)差的合成方法[10-11]可知

(5)

其中,σe是測(cè)量誤差序列e1,e2,…,eN的標(biāo)準(zhǔn)差;σε是測(cè)量誤差序列ε1,ε2,…,εN的標(biāo)準(zhǔn)差。由于兩次重復(fù)測(cè)量屬于等精度測(cè)量,故有

σe=σε

(6)

將式(6)代入式(5)可得

(7)

則有

(8)

為了消除測(cè)量過(guò)程中隨機(jī)誤差的影響，采用誤差差值作為誤差進(jìn)行處理[12],將式(4)修改為

(9)

結(jié)合式(8)與式(9)可得,傳感器重復(fù)性檢定的標(biāo)準(zhǔn)差為

(10)

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1PMAC運(yùn)動(dòng)控制

(1)PID參數(shù)整定與系統(tǒng)調(diào)試。PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡采用PID控制算法,具有電流、速度、位置三環(huán)控制策略,在使用之前必須進(jìn)行PID參數(shù)整定工作。參數(shù)整定采用自動(dòng)整定與交互整定相結(jié)合的方式，先利用系統(tǒng)自動(dòng)整定功能初步確定PID參數(shù)，再利用交互整定功能，逐步細(xì)調(diào)PID整定參數(shù)，觀察運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線，以達(dá)到最佳運(yùn)動(dòng)性能，整定后的參數(shù)與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線如圖4所示。

(a)參數(shù)整定對(duì)話框

(b)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線圖4　PID參數(shù)整定

(2)運(yùn)動(dòng)控制程序。自動(dòng)檢定系統(tǒng)只有一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),控制程序采用線性位置控制方式。PMAC控制卡提供了圖5所示的兩種線性運(yùn)動(dòng)控制方式。圖5a表示直線梯形加速，系統(tǒng)以恒定的加速度加速到設(shè)定的速度，以設(shè)定速度運(yùn)動(dòng)一段位移，然后以恒定的加速度減速為零;圖5b表示S曲線加速,系統(tǒng)以S形加速曲線加速到指定的速度，加速過(guò)程平緩，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)較為平衡。PMAC 中含有各種運(yùn)動(dòng)模型和插補(bǔ)計(jì)算模塊,通過(guò)對(duì)PMAC編程可以較為容易地實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動(dòng)方式。

(a)直線加速度軌跡曲線

(b)S曲線加速度軌跡曲線圖5　S曲線與梯形加速對(duì)比

綜合考慮系統(tǒng)需求與技術(shù)特性,選擇直線梯形加速運(yùn)動(dòng)模型,為了便于采用靈活的運(yùn)動(dòng)控制模式,對(duì)運(yùn)動(dòng)控制采用參數(shù)化控制,利用PMAC控制卡中的運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)指令與運(yùn)動(dòng)參數(shù),構(gòu)建圖6所示的直線加速運(yùn)動(dòng)模型。

圖6　直線梯形加速運(yùn)動(dòng)模型

將整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程分為直線加速段、勻速運(yùn)動(dòng)段與直線減速段。根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制要求，設(shè)定運(yùn)動(dòng)位移參數(shù)s(s=sacc+scon+sdec),直線加速段位移為sacc,運(yùn)動(dòng)速度為vcon。由于PMAC運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的單位為反饋脈沖數(shù)，故控制時(shí)需要將運(yùn)動(dòng)位移參數(shù)變換為脈沖數(shù):

Nacc=saccRNd/360°

(11)

式中,sacc為加速段運(yùn)動(dòng)位移,(°);R為作為反饋的光柵傳感器的柵線數(shù),RON886的柵線數(shù)為36 000；Nd為光柵細(xì)分盒設(shè)定的細(xì)分倍數(shù),本系統(tǒng)設(shè)定為25。

根據(jù)直線勻加速方式,可以計(jì)算加、減速段的時(shí)間為

tacc=2Nacc/vcon

(12)

根據(jù)計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)線性運(yùn)動(dòng)模式采用參數(shù)化控制，運(yùn)動(dòng)控制程序參數(shù)配置核心代碼如下：

OPEN PROG 1 CLEAR

LINEAR;線性插補(bǔ)模式

INC;增量式運(yùn)動(dòng)模式

TA(tacc);設(shè)置加速時(shí)間

TS(0);設(shè)置S段參數(shù)為0

F(vcon);設(shè)置運(yùn)動(dòng)控制速度

X(s);設(shè)置運(yùn)動(dòng)位移

4.2檢定軟件系統(tǒng)

檢定軟件系統(tǒng)采用VC++作為開(kāi)發(fā)工具,利用Delta Tau公司提供的PComm32動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的參數(shù)化控制。時(shí)柵傳感器與光電自準(zhǔn)直儀都通過(guò)RS232接口與工控機(jī)相連接。自準(zhǔn)直儀通信波特率為2400,每秒傳送25次測(cè)量數(shù)據(jù),時(shí)柵傳感器的通信波特率為57 600,每秒傳送400次測(cè)量數(shù)據(jù)。檢定軟件的工作流程如圖7所示。

5　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

搭建的時(shí)柵位移傳感器自動(dòng)檢定系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示。

圖9所示為自動(dòng)檢定軟件工作界面，其中左邊的示值為時(shí)柵傳感器的測(cè)量值，右邊的示值為光電自準(zhǔn)直儀的測(cè)量值。

圖9　檢定軟件工作界面

待檢TRI 2414型時(shí)柵角位移傳感器的檢定參數(shù)如下：精度為±2″，測(cè)角重復(fù)性應(yīng)不大于0.8″。采用正24面棱體，每次自動(dòng)轉(zhuǎn)位15°，在同樣的測(cè)量條件下對(duì)待檢時(shí)柵角位移傳感器進(jìn)行兩次誤差檢定，其檢定結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1　第1周誤差檢定

表2　第2周誤差檢定

根據(jù)式(3)可以計(jì)算出待檢時(shí)柵角位移傳感器的最大誤差為

e=1.7″-(-0.5″)=2.2″

則e在±2″范圍內(nèi)，根據(jù)式(10)可計(jì)算出待檢時(shí)柵角位移傳感器的重復(fù)性誤差為

σ=0.259″

則σ<0.8″,該待檢傳感器的檢定參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，該傳感器符合出廠條件。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文利用PMAC運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，研制了時(shí)柵角位移傳感器的自動(dòng)檢定系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量檢定過(guò)程全自動(dòng)化，工作效率高，有效地解決了人工檢定時(shí)因出現(xiàn)漏記、錯(cuò)記而影響產(chǎn)品質(zhì)量檢定的問(wèn)題，為時(shí)柵位移傳感器的增產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支持。而且該檢定系統(tǒng)可將光電自準(zhǔn)直儀更換為激光干涉儀用作時(shí)柵角位移傳感器的誤差標(biāo)定系統(tǒng)，這將是今后研究的重點(diǎn)。

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(編輯陳勇)

Automatic Verification System for Time Grating Angular Displacement Sensors

Yang JisenZhang Jing

Engineering Research Center of Mechanical Testing Technological and Equipment,Ministry of Education,Chongqing University of Technology,Chongqing,400050

In order to resolve the problem of low efficiency and verification quality in the procedure of time grating angular displacement sensor quality verification due to manual reading mode,an automatic verification system for time grating angular displacement sensor was proposed.In the automatic verification system, the PMAC was selected as motion control unit and the direct driving motor was used as the driving equipment to reduce the transmission errors.The electronic autocollimators ELCOMAT3000 with errors less than ±0.25″ acts as the precision measuring instrument in the system. A programmable linear trapezoidal acceleration motion model was presented in the motion control and one product quality verification algorithm was proposed to improve the quality verification. The experimental results show that the steps of product quality certification all are completed automatically and the accurate results of quality verification is obtained.The work efficiency is improved greatly and product quality of time grating angular displacement sensor is assured further.

time grating angular displacement sensor;programmable multi-axes controller(PMAC);automatic verification;autocollimator

2015-02-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205434，51305478);重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1400904);重慶市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(cstc2014jcyjA70003)

TH7DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.14.016

楊繼森,男,1977年生。重慶理工大學(xué)時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、副教授。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助測(cè)試與智能傳感器。張靜,女,1981年生。重慶理工大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院講師。