趙慶磊，王旌堯，韓誠山，龍科慧

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 吉林 長春 130033）

編碼器精度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙慶磊，王旌堯，韓誠山，龍科慧

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 吉林 長春 130033）

編碼器在裝調(diào)完成后，需要對(duì)其進(jìn)行精度檢測(cè)，以此來確認(rèn)是否滿足驗(yàn)收條件。在精度檢測(cè)過程中，通常檢測(cè)人員進(jìn)行手動(dòng)操作，為減輕編碼器檢測(cè)的人工負(fù)擔(dān)，提高檢測(cè)效率，設(shè)計(jì)了一種編碼器檢測(cè)系統(tǒng)。首先，介紹了精度檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理；然后，根據(jù)工作特性，設(shè)計(jì)了檢測(cè)系統(tǒng)的軟件及操作界面；最后結(jié)合實(shí)際檢測(cè)產(chǎn)品對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，給出了精度檢測(cè)結(jié)果，結(jié)果表明該精度檢測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、方便的實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

編碼器；自動(dòng)檢測(cè)；精度計(jì)算；串行通信

編碼器是將信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。具有精度高、測(cè)量范圍廣、體積小、重量輕、使用可靠、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、機(jī)器人、光電經(jīng)緯儀、數(shù)控機(jī)床等諸多領(lǐng)域［1-7］。

編碼器精度檢測(cè)是用來評(píng)價(jià)編碼器是否滿足設(shè)計(jì)要求的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前的檢測(cè)方法大多采用人工手動(dòng)操作，通過聯(lián)動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)動(dòng)高位標(biāo)準(zhǔn)編碼器，觀察待檢測(cè)編碼器碼值偏差，手動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，最后通過匯總計(jì)算得到編碼器均方差［8-11］。該方法由于人為因素的介入，會(huì)造成數(shù)據(jù)記錄錯(cuò)誤；機(jī)構(gòu)運(yùn)行的不連續(xù)性，會(huì)使檢測(cè)結(jié)果具有一定的誤差；檢測(cè)位置多，會(huì)使檢測(cè)過程變得繁瑣而大大降低檢測(cè)效率。

文中從工程實(shí)際出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種編碼器精度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。通過設(shè)置待檢編碼器型號(hào)及檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量，該系統(tǒng)可進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，同時(shí)檢測(cè)結(jié)果及檢測(cè)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在界面上。系統(tǒng)具有檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、檢測(cè)速度快、通用性強(qiáng)、結(jié)果顯示直觀等優(yōu)點(diǎn)。

1　編碼器精度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)組成

1.1硬件平臺(tái)的構(gòu)建

編碼器精度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、串行通訊模塊、CPU和PC組成，如圖1所示。

圖1　編碼器精度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

待檢編碼器和標(biāo)準(zhǔn)編碼器通過聯(lián)動(dòng)裝置與電機(jī)聯(lián)接，由PC界面進(jìn)行待檢編碼器型號(hào)及檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置，CPU會(huì)根據(jù)設(shè)置內(nèi)容進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制和編碼器碼值接收［12-15］。CPU將兩臺(tái)編碼器的碼值進(jìn)行整合校驗(yàn)后通過串行通訊接口發(fā)送給PC，由PC進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，并將處理后的內(nèi)容直接顯示在前臺(tái)界面，方便操作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。

1.2PC軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際需求，待檢編碼器型號(hào)代碼內(nèi)容如表1所示。

表1　編碼器型號(hào)與代碼對(duì)照表

檢測(cè)點(diǎn)數(shù)目選擇內(nèi)容如表2所示。

表2　檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量與代碼對(duì)照表

PC通過串行接口與CPU進(jìn)行通訊，其控制命令幀格式如表3所示。

同步頭是一個(gè)控制命令幀的起始標(biāo)志，數(shù)據(jù)內(nèi)容為AAH。

型號(hào)代碼為設(shè)置的待檢編碼器型號(hào)，內(nèi)容為01H～16H。

表3　控制命令幀格式

檢測(cè)點(diǎn)代碼為設(shè)置的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量，內(nèi)容為01H～0EH。

控制碼是上位機(jī)對(duì)CPU發(fā)出的控制指令格式，其中00H為檢測(cè)前清零，01H為檢測(cè)啟動(dòng)命令。

在收到啟動(dòng)命令后，檢測(cè)系統(tǒng)的CPU會(huì)返回?cái)?shù)據(jù)至PC，其返回?cái)?shù)據(jù)幀格式如表4所示。

表4　返回?cái)?shù)據(jù)幀格式

同步頭是一個(gè)返回?cái)?shù)據(jù)幀的起始標(biāo)志，數(shù)據(jù)內(nèi)容為FF81H，F(xiàn)FH在前，81H在后。

標(biāo)準(zhǔn)編碼器數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)編碼器在對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)返回的編碼器碼值，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后。

被測(cè)編碼器數(shù)據(jù)是待檢編碼器在對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)返回的編碼器碼值，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后。

校驗(yàn)和是確保返回?cái)?shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)有效的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，為字節(jié)1～8的累加和。

2　檢測(cè)處理方法

檢測(cè)處理是將返回的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析與計(jì)算，實(shí)時(shí)顯示的過程，主要包括數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)解析及檢測(cè)計(jì)算3個(gè)部分。

1）數(shù)據(jù)校驗(yàn)

數(shù)據(jù)校驗(yàn)是驗(yàn)證返回的數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)是否真實(shí)可靠，其處理流程如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)校驗(yàn)流程圖

2）數(shù)據(jù)解析

提取返回?cái)?shù)據(jù)幀里被測(cè)編碼器和標(biāo)準(zhǔn)編碼器碼值數(shù)據(jù)，被測(cè)編碼器碼值需進(jìn)行超界判斷，如碼值數(shù)據(jù)超過該型號(hào)位數(shù)，則置碼值數(shù)據(jù)錯(cuò)誤提示。

3）檢測(cè)計(jì)算

檢測(cè)開始前，需進(jìn)行一次清零動(dòng)作，PC記錄當(dāng)前返回的被測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)編碼器碼值，以此作為起始點(diǎn)，記為act0和std0。檢測(cè)時(shí)，每到一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)返回的數(shù)據(jù)都應(yīng)與起始點(diǎn)值進(jìn)行相減處理，以表示編碼器所轉(zhuǎn)的對(duì)應(yīng)角度，可用式（1）表示：

其精度誤差則為：

這樣檢測(cè)系統(tǒng)則可計(jì)算出每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的編碼器精度差值。

3　檢測(cè)實(shí)例

采用1臺(tái)24位編碼器作為標(biāo)準(zhǔn)編碼器，程序運(yùn)行前，會(huì)彈出如圖3所示的對(duì)話框，提示操作人員數(shù)據(jù)記錄所存放的位置。

圖3　檢測(cè)結(jié)果保存路徑提示對(duì)話框

點(diǎn)擊確定后，進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)操控界面，如圖4所示。

在界面中，首先設(shè)置串口，然后選擇待檢編碼器型號(hào)，再點(diǎn)開始檢測(cè)，程序自動(dòng)運(yùn)行。每次操作只有一個(gè)按鈕可點(diǎn)擊，規(guī)范了操作流程。檢測(cè)完畢后，用戶可根據(jù)圖3找到數(shù)據(jù)存放位置，數(shù)據(jù)以EXCEL表格形式存放，表格名字以每次開始檢測(cè)的開始時(shí)間命名，如圖5所示。

圖4　精度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)操控主界面

圖5　檢測(cè)結(jié)果保存格式

打開EXCEL表格，數(shù)據(jù)記錄與計(jì)算結(jié)果顯示窗口保持一致，為了觀察方便，被測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)編碼器角度以度分秒的形式顯示，表格中只記錄有效數(shù)據(jù)，錯(cuò)誤異常信息不記錄在該表格里。

圖6　檢測(cè)結(jié)果記錄內(nèi)容

4　結(jié)　論

從編碼器精度檢測(cè)的實(shí)際需求出發(fā)，根據(jù)檢測(cè)的工作特性，設(shè)計(jì)了一種精度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作簡單，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，顯示直觀，大大提高了精度檢測(cè)的效率，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Design of auto-detection system of encoder precision

ZHAO Qing-lei，WANG Jing-yao，HAN Cheng-shan，LONG Ke-hui
（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

After adjustment of the encoder，it is necessary to carry out the precision testing，in order to confirm whether to meet the conditions of acceptance.In the process of precision detection，the manual operation is usually carried out by the test personnel.In order to reduce the artificial burden and improve the detection efficiency，the paper designed a kind of encoder detection system.First，the working principle of the precision detection system is introduced.Secondly，according to the work characteristic，the software and the operation interface of the detection system are designed.At last，the system is tested with the actual test products，and the accuracy of the test results is given.The results show that the precision detection system can accurately，conveniently realize detection function and achieve the desired results，having a wide range of application value. Key words：encoder；auto-detection；precise calculations；serial communication

TN29

A

1674－6236（2016）16-0009-03

2016-03-22稿件編號(hào)：201603289

國家自然科學(xué)基金（60506014）

趙慶磊（1982—），男，黑龍江大慶人，博士研究生，助理研究員。研究方向：航天相機(jī)控制器應(yīng)用技術(shù)、計(jì)算機(jī)測(cè)控。