王淑嫻， 彭東林,2， 高忠華,2， 張旭云， 周金鋼， 鄭方燕,2

(1.重慶理工大學(xué) 機(jī)械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心,重慶 400054;2.重慶理工大學(xué) 時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

多面棱體的時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王淑嫻1， 彭東林1,2， 高忠華1,2， 張旭云1， 周金鋼1， 鄭方燕1,2

(1.重慶理工大學(xué) 機(jī)械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心,重慶 400054;2.重慶理工大學(xué) 時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

摘要:針對傳感器安裝偏心、使用環(huán)境變化等因素造成時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)精度降低的問題，提出了由多面棱體和自準(zhǔn)直儀對誤差進(jìn)行標(biāo)定，并利用諧波修正技術(shù)進(jìn)行誤差修正的時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)。系統(tǒng)以多面棱體和自準(zhǔn)直儀高精度測量儀器作為測量基準(zhǔn)，以ARM處理器為核心對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的精確定位，且能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和誤差處理。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明：與手動(dòng)標(biāo)定方式相比，該標(biāo)定系統(tǒng)不僅效率高而且標(biāo)定后的時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)測量系統(tǒng)分度精度可達(dá)±1.3″。

關(guān)鍵詞：多面棱體； 自準(zhǔn)直儀； 時(shí)柵位移傳感器； 轉(zhuǎn)臺(tái)； 自動(dòng)標(biāo)定

0引言

時(shí)柵位移傳感器是一種采用“時(shí)空轉(zhuǎn)換”的思維方式，用時(shí)間量去完成空間位移測量的新型傳感器[1～3]。以時(shí)柵角位移傳感器作為測量元件的時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)因精度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的應(yīng)用前景，可廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床以及其他回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。但是由于受傳感器安裝偏心、使用環(huán)境的變化等因素的影響，轉(zhuǎn)臺(tái)的定位精度相比時(shí)柵傳感器精度有較大的損失，導(dǎo)致機(jī)械加工精度降低。

為了解決上述問題，本文以多面棱體和自準(zhǔn)直儀為基準(zhǔn)儀器，以ARM為核心的數(shù)控系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的精確定位。定位完成后上位機(jī)與下位機(jī)通信完成數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集并通過上位機(jī)程序進(jìn)行誤差處理，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)的智能化高精度標(biāo)定。

1自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)

整個(gè)標(biāo)定系統(tǒng)是由裝有時(shí)柵的轉(zhuǎn)臺(tái)、多面棱體、自準(zhǔn)直儀、數(shù)控系統(tǒng)和上位機(jī)組成。多面棱體隨著轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)在數(shù)控系統(tǒng)的控制下進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)準(zhǔn)確定位，完成數(shù)據(jù)的采集，采集后的數(shù)據(jù)送入上位機(jī)完成誤差處理。

1.1時(shí)柵位移傳感器

在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)中，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際角位移是由高精度時(shí)柵傳感器測量出來。時(shí)柵角位移傳感器作為轉(zhuǎn)臺(tái)的主要測量元件其主要由定子、定子內(nèi)嵌線圈、轉(zhuǎn)子及定測頭b和動(dòng)測頭a組成，如圖1所示。

圖1　時(shí)柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖Fig 1　Structure principle diagram of time-grating displacementsensor

定子內(nèi)嵌線圈為空間上互差120°的三相繞組，工作時(shí)，在三相繞組中通入幅值相等，相位相差120°的激勵(lì)電流

(1)

式中Im為激勵(lì)電流振幅；ω為激勵(lì)電流頻率。

類似于交流電機(jī)，在定子氣隙中產(chǎn)生一個(gè)以角速度V運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁場M。旋轉(zhuǎn)磁場M中放置定測頭和動(dòng)測頭兩測頭，其中，定測頭固定不動(dòng)，動(dòng)測頭則以速度v隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，通過檢測磁場M經(jīng)過定測頭b和動(dòng)測頭a的時(shí)間差ΔT和定測頭信號(hào)的周期T，將ΔT和T這兩個(gè)模擬信號(hào)經(jīng)一系列的信號(hào)處理后送入微處理器進(jìn)行計(jì)算處理，得到轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的角位移大小(單位為(°))

(2)

式中θ為角位移；V為磁場的運(yùn)動(dòng)速度；ΔT為時(shí)間差；T為信號(hào)周期；W為一個(gè)對極所對應(yīng)的角位移量。

1.2多面棱體—自準(zhǔn)直儀標(biāo)定方法

如圖2所示，將多面棱體和時(shí)柵角位移傳感器安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)的主軸上，同時(shí)將自準(zhǔn)直儀放置在可調(diào)整的固定三角架上。調(diào)節(jié)三角架的高度和自準(zhǔn)直儀的位置，使自準(zhǔn)直儀視軸和多面棱體工作面互相垂直，并和多面棱體工作面的中心在同一水平面上[4]。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，使轉(zhuǎn)臺(tái)停留在0°～5°(72對極時(shí)柵的單對極內(nèi))位置。標(biāo)定的過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)到多面棱體面中心時(shí)，自準(zhǔn)直儀獲取距棱體面中心法線方向的偏差角，上位機(jī)軟件程序根據(jù)多面棱體的面數(shù)加上偏差值計(jì)算出角度值，再結(jié)合采集到的時(shí)柵角位移值，從而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺(tái)高精度標(biāo)定。時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)各測點(diǎn)的誤差值

li=ai-[(bi-b1)+Δc±di]

(3)

式子li為被校準(zhǔn)時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)第i測點(diǎn)的誤差值；ai為時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)第i個(gè)測點(diǎn)的示值，i=1,2，…，n;bi為棱體的第i面和第一面的夾角;Δc為多面棱體面的修正值；di為自準(zhǔn)直儀的偏差值。

圖2　多面棱體—自準(zhǔn)直儀校準(zhǔn)時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)Fig 2　Calibration time-grating turntable based on polygons-autocollinator

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于多面棱體和自準(zhǔn)直儀的時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。整個(gè)標(biāo)定系統(tǒng)是由基準(zhǔn)儀器(多面棱體和與它配套使用的自準(zhǔn)直儀)、待標(biāo)定的時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)、自動(dòng)控制的核心數(shù)控系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成。

圖3　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖Fig 3　Principle block diagram of experimental system

多面棱體安裝在時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸上，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)勻速運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)到自準(zhǔn)直儀對準(zhǔn)多面棱體中心時(shí)，對時(shí)柵傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)采樣，并且這一采樣序列反饋給ARM處理器形成對轉(zhuǎn)臺(tái)的全閉環(huán)控制。同時(shí)自準(zhǔn)直儀采集到的信號(hào)為多面棱體面中心定位的偏差值，上位機(jī)程序?qū)⑵钪岛投嗝胬怏w轉(zhuǎn)過的角度數(shù)、修正值計(jì)算處理得到轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)過的真實(shí)角位移。轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際角位移和時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)的顯示數(shù)據(jù)通過上位機(jī)作比較得到轉(zhuǎn)臺(tái)的原始誤差，然后進(jìn)行相應(yīng)的諧波分析和實(shí)時(shí)顯示等數(shù)據(jù)處理，并且利用諧波修正技術(shù)對誤差進(jìn)行修正。

2.1數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

如圖4所示的數(shù)控系統(tǒng)是時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)提高測試效率的關(guān)鍵部分。采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)取代了繁雜的人工搖轉(zhuǎn)手輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)操作，上位機(jī)按照一定的控制算法控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)定位取代了人眼觀察對轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的定位。

圖4　數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig 4　Structure block diagram of numerical control system

由于數(shù)控系統(tǒng)主要是通過ARM處理器對步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)對于轉(zhuǎn)臺(tái)的精確定位，因此,ARM的控制和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是數(shù)控系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

2.2ARM控制與電機(jī)驅(qū)動(dòng)

數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),以ARM處理器為核心控制步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)轉(zhuǎn)位。首先調(diào)整數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)至?xí)r柵傳感器輸出為0°，自準(zhǔn)直儀對準(zhǔn)棱體第一面，計(jì)算機(jī)通過串口開始采集時(shí)柵的角度值與自準(zhǔn)直儀讀取的偏差值，時(shí)柵傳感器的輸出信號(hào)由上位機(jī)發(fā)送給ARM處理器，ARM根據(jù)接收的信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，接收時(shí)柵的反饋值形成閉環(huán)控制，使轉(zhuǎn)臺(tái)的角度得到調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)精確定位。定位完成后，ARM處理器向計(jì)算機(jī)發(fā)送“定位完成”信號(hào)。

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)選用與其他驅(qū)動(dòng)方法相比具有減小或消除電路中的低頻振蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)等優(yōu)勢的細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法[5]，將一個(gè)歩距角細(xì)分成若干小步來實(shí)現(xiàn)高精度的定位。采用MS—2H090M驅(qū)動(dòng)器配合34HS300DZ型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。為了達(dá)到最高的控制精度，使用時(shí)將驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分值設(shè)為最大值200，步進(jìn)電機(jī)1.8°的歩距角轉(zhuǎn)換為0.009°的驅(qū)動(dòng)脈沖當(dāng)量Pd，分度轉(zhuǎn)臺(tái)的蝸桿和蝸輪副的傳動(dòng)比為Z=180∶1。因此，每個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖當(dāng)量ΔP為

(4)

可以匹配多面棱體的精度，足夠滿足系統(tǒng)±2″的分度精度要求。

3軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)測控系統(tǒng)的任務(wù)要求，上位機(jī)程序需要實(shí)現(xiàn)采集自準(zhǔn)直儀偏差值和時(shí)柵的數(shù)據(jù)和誤差處理等功能。系統(tǒng)采用VC++軟件編制出功能完善、操作簡便、顯示直觀的標(biāo)定系統(tǒng)上位機(jī)界面[7]，按照圖5的流程圖完成標(biāo)定過程。

圖5　上位機(jī)軟件流程圖Fig 5　Software flow chart of upper PC

當(dāng)下位機(jī)ARM發(fā)送定位完畢信號(hào)后，上位機(jī)便開始 從串口分別讀取時(shí)柵和自準(zhǔn)直儀的數(shù)據(jù)信息，若此時(shí)讀到的數(shù)據(jù)是正確的，則把上述的兩個(gè)數(shù)據(jù)作差作為時(shí)柵傳感器的原始誤差保存到數(shù)據(jù)庫，并在屏幕上顯示誤差曲線；若此時(shí)讀到的數(shù)據(jù)不正確，則通知下位機(jī)重新定位這個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。判斷所有的目標(biāo)點(diǎn)是否定位完成，若沒有完成，則向下位機(jī)發(fā)送下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的設(shè)定值；若所有目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都采集完成，則程序根據(jù)誤差模型對時(shí)柵傳感器的系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正，并實(shí)現(xiàn)測試報(bào)告的自動(dòng)生成，從而完成誤差修正工作。

3.1步進(jìn)電機(jī)的控制

步進(jìn)電機(jī)的控制是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)定位精度取決于電機(jī)控制的質(zhì)量，因此，電機(jī)控制質(zhì)量將會(huì)對轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。根據(jù)經(jīng)典控制理論的介紹，步進(jìn)電機(jī)有單向逼近和雙向逼近兩種控制方法[8，9]。雖然雙向逼近相比于單向逼近具有定位速度快的優(yōu)勢，但雙向逼近會(huì)帶來回程誤差，為了獲取高精度的定位，系統(tǒng)以ARM為核心，采用二分法進(jìn)行單向逼近完成對步進(jìn)電機(jī)的控制。按圖6的流程預(yù)先設(shè)置一個(gè)角度值N，ARM自動(dòng)將角度值轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)，脈沖數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)N—1度，然后每次轉(zhuǎn)動(dòng)剩下1/2的讀數(shù)來逼近預(yù)設(shè)值。

圖6　電機(jī)單向逼近控制流程圖Fig 6　Flow chart of one-way approximation motor contorl

3.2數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集按照圖7的流程圖進(jìn)行。系統(tǒng)開機(jī)后，在上位機(jī)界面完成步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和設(shè)備選擇等參數(shù)的設(shè)置。變量初始化后開始測試，多面棱體隨時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)同步勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)定目標(biāo)值時(shí)，自準(zhǔn)直儀正對多面棱體面中心點(diǎn)。上位機(jī)程序發(fā)生中斷事件，串口傳送自準(zhǔn)直儀和時(shí)柵的數(shù)據(jù)到上位機(jī)，數(shù)據(jù)保存后，重復(fù)此過程，直到轉(zhuǎn)臺(tái)整周23個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)完成。

圖7　數(shù)據(jù)采集流程圖Fig 7　Flow chart of data acquisition

3.3諧波修正

諧波修正法是時(shí)柵傳感器和先進(jìn)檢測技術(shù)中心依據(jù)時(shí)柵自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所提出的一種方法，現(xiàn)已成功應(yīng)用[6]。根據(jù)傅里葉級數(shù)的展開式可知，任何誤差曲線都可以表示為含有1,2,3,...,N(N趨于無窮)次誤差的函數(shù)，因此,在一個(gè)圓周上分布有m個(gè)讀數(shù)頭，那么就可以消去除km(k=1,2,3,…)次以外的各次誤差。于是，在時(shí)柵旋轉(zhuǎn)磁場內(nèi)放置多個(gè)測頭將時(shí)柵傳感器測量誤差進(jìn)行分離,然后將采集到的誤差值構(gòu)成誤差曲線，上位機(jī)對誤差曲線進(jìn)行分析并擬合出含有相同諧波次數(shù)的曲線，將誤差曲線和擬合曲線作差來修正誤差，重復(fù)多次對誤差曲線擬合、修正，直到達(dá)到理想值。

本系統(tǒng)采用23面多面棱體是對裝有72對極時(shí)柵的轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定，將測得的時(shí)柵整周的23個(gè)誤差數(shù)據(jù)來構(gòu)成誤差曲線，用含有主要諧波成分的擬合曲線對誤差進(jìn)行反復(fù)多次修正，直至誤差曲線低于設(shè)計(jì)值。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本標(biāo)定系統(tǒng)的可靠性，采用精度極高的九江公司生產(chǎn)的0級23面多面棱體和示值誤差為±1″的自準(zhǔn)直儀對裝有72對極時(shí)柵的轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定測試。實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。

圖8　系統(tǒng)裝置Fig 8　System equipment

在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的整周360°范圍內(nèi)每(360/23)°進(jìn)行采點(diǎn)。采集整周后的原始誤差和根據(jù)其諧波次數(shù)擬合出的曲線如圖9所示，原始誤差曲線和擬合曲線接近重合且主要含有一次諧波如圖10，作差后得到圖11所示的諧波修正后的誤差曲線，一次諧波被消除，最終得到±1.3″的轉(zhuǎn)臺(tái)精度，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖9　整周實(shí)測誤差曲線與擬合曲線Fig 9　Error curve of integer measurement and fitting curve

圖10　傅里葉變換的幅值—頻率曲線Fig 10　Amplitude-frequency curve of Fourier transform

圖11　諧波修正后的誤差曲線Fig 11　Error curve after harmonic wave correction

5結(jié)束語

該系統(tǒng)以高精度的多面棱體和自準(zhǔn)直儀為基準(zhǔn)量對時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定，其中數(shù)控電機(jī)系統(tǒng)中的ARM對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，不僅提高了標(biāo)定的效率，而且減小了人為因素對測量結(jié)果的影響，提高了轉(zhuǎn)臺(tái)的定位精度。對于標(biāo)定后的誤差采用諧波修正方法進(jìn)行多次修正，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明:時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)的分度精度可以達(dá)到±1.3″，整個(gè)標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可行。

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Designofautomaticcalibrationsystemfortime-gratingturntablebasedonpolygons*

WANGShu-xian1，PENGDong-lin1,2，GAOZhong-hua1,2，ZHANGXu-yun1，ZHOUJin-gang1，ZHENGFang-yan1,2

(1.EngineeringResearchCenterofMechanicalTestingTechnologyandEquipment,MinistryofEducation,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China;2.KeyLaboratoryofChongqingCity,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China)

Abstract:Aiming at the problem of time-grating turntable precision reducing induced by sensor mounting eccentric or environmental changes and so on,present automatic calibration system for time-grating turntable which calibrates error by polygons and autocollinator and use harmonic wave correcting technology for error correction.Polygons and autocollinator high-precision measuring instruments are applied to the system as measuring standard,ARM processor is used as core to carry out closed-loop control on stepper motor and achieve precise positioning,and the system can carry out data acquisition and error processing.Experimental result shows that compared with manual mode,the calibration system is not only high efficient,but also indexing precision can reach ±1.3" after calibration.

Key words:polygons； autocollinator； time-grating displacement sensor; turntable; automatic calibration

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0100—04

收稿日期：2015—07—13

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51127001)；國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目(2013YQ220893)；重慶理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(YCX2014224)；重慶理工大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(2015ZD08)

中圖分類號(hào)：TP 23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)04—0100—04

作者簡介:

王淑嫻(1990-)，女，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄軝z測與傳感器技術(shù)方向的研究。