周妤,朱穎,劉威,梁雪,李照
(西安創(chuàng)聯(lián)電氣科技(集團)有限責(zé)任公司,陜西西安,710065)
三維角度傳感器主要用于測量被測物發(fā)生的翻轉(zhuǎn)和俯仰角,使用時將該傳感器固定于被測物的表面,當(dāng)被測物發(fā)生角度傾斜,即可通過該傳感器讀取其傾斜角度。傾角測量功能廣泛應(yīng)用在建筑機械、路面機械、港口機械、起重機械等工程機械領(lǐng)域中,它能夠?qū)こ虣C械運作過程中與角度相關(guān)的狀態(tài)與姿態(tài)實現(xiàn)實時監(jiān)測與控制[1]。三維角度傳感器出廠時需要進行校準及檢測,就是利用精度高一級的標準器具對傳感器進行定度的過程,且還需對所校準的傳感器對比標準器具進行檢測[2]。一般三維角度模塊可校準及檢測的工位較少,校準及檢測需要人工干預(yù)較多,包括更換軸向安裝位置,更換檢測工序等多個環(huán)節(jié)都需要人工操作,操作復(fù)雜,效率低下。因此,本文設(shè)計了一種便捷、高效的校準及檢測系統(tǒng)用于多支三維角度傳感器標定檢測。
設(shè)計的多通道三維角度傳感器校準檢測系統(tǒng)主要分為校準與檢測兩個過程,先進行校準在進行檢測,若校準已完成可直接進行檢測。校準過程是將三維角度傳感器固定在角度測試轉(zhuǎn)臺上,通過信號線實現(xiàn)角度測試轉(zhuǎn)臺與上位機之間的通信,并實現(xiàn)三維角度傳感器與上位機之間的通信后,自定義X軸、Y軸及Z軸方向的校準點數(shù)量、校準角度范圍及校準頻率。在保證設(shè)置參數(shù)完成后,確定校準通道,進入校準模式。最終,確定收到校準完成信號,結(jié)束校準過程,準備進入檢測過程。具體軟件設(shè)計過程中采用的校準控制策略如圖1所示,將三維角度傳感器安裝在上述的三維角度傳感器校準檢測系統(tǒng)中,進入校準流程,情況如下:
圖1 校準控制策略
(1)在校準流程中,對三維角度傳感器上電,確定校準參數(shù)包括:各軸向的校準點數(shù)量、校準角度范圍和校準頻率。
(2)獲取至少一軸的校準確定信號。
①確定X軸、Y軸和Z軸的方向以及校準參數(shù),可以由操作人員手動選擇X軸、Y軸和Z軸的方向;②在三維角度傳感器上電后的預(yù)定時間內(nèi),確定是否存在需要校準的通道。一般情況下三維角度傳感器校準檢測系統(tǒng)中安裝了多少三維角度傳感器,就會存在多少需要校準的通道,每個三維角度傳感器占用一個通道。如果不存在需要校準的通道,則進入檢測流程;③如果存在需要校準的通道,確定三維角度傳感器所在的校準通道;④確定校準通道后,確定是否獲取至少一軸的校準確定信號,如果任何軸向都不存在校準確定信號,也進入檢測流程。
(3)當(dāng)至少一軸的校準確定信號在預(yù)設(shè)的校準參數(shù)范圍內(nèi)時,對相應(yīng)的開關(guān)量信號設(shè)定的角度閾值進行校準。
①確定至少一軸的校準確定信號是否在預(yù)設(shè)的校準參數(shù)范圍內(nèi);②如果至少一軸的校準確定信號在預(yù)設(shè)的校準參數(shù)范圍內(nèi),根據(jù)軸向的優(yōu)先級確定校準數(shù)據(jù),并對相應(yīng)的開關(guān)量信號設(shè)定的角度閾值進行校準;③如果至少一軸的校準確定信號不在預(yù)設(shè)的校準參數(shù)范圍內(nèi),修正校準參數(shù),當(dāng)至少一軸的校準確定信號不在預(yù)設(shè)的校準參數(shù)范圍內(nèi)時,上位機會發(fā)出相應(yīng)的提示,操作人員可以根據(jù)提示對校準參數(shù)進行修正,以使至少一軸的校準確定信號處在校準參數(shù)范圍內(nèi);④在修正后的校準參數(shù)基礎(chǔ)上獲取至少一軸的校準確定信號;⑤采用傳感器分段校準法,根據(jù)軸向的優(yōu)先級對三維角度傳感器進行單方向校準,軸向的優(yōu)先級從高到低依次為X軸、Y軸和Z軸。
(4)在一軸的校準完成后,確定是否存在多通道的校準完成確定信號。
①確定一軸的校準是否完成;②如果一軸的校準已經(jīng)完成,確定是否存在多通道的校準完成確定信號。如果存在多通道的校準完成確定信號,則表明三維角度傳感器校準檢測系統(tǒng)中所有的三維角度傳感器均完成了當(dāng)前軸向的校準工作,可以進入檢測流程,如果一軸的校準還未完成,則需要返回((2)-④)以完成當(dāng)前軸向的校準,在((4)-③)中需要返回((2)-②)以完成其他軸向以及通道的校準;③如果不存在多通道的校準完成確定信號,則進行下一個軸的校準。
(5)若存在多通道的校準完成確定信號,則進入檢測流程。
檢測過程是保證取X軸、Y軸、Z軸中至少一軸收到檢測確定信號后,進入開始檢測開始模式。然后,根據(jù)軸向優(yōu)先級確定檢測點數(shù)量、頻率和范圍,對相應(yīng)開關(guān)量信號設(shè)定的角度閾值進行檢測;若檢測點數(shù)量、檢測范圍及頻率不滿足預(yù)設(shè)要求,根據(jù)提示,修正設(shè)置檢測參數(shù),重新開始。最終,確定收到檢測完成信號,結(jié)束檢測過程。具體軟件設(shè)計過程中采用的檢測控制策略如圖2所示,在傳感器完成校準后進入檢測流程,情況如下:
圖2 檢測控制策略
(1)在檢測流程中,獲取至少一軸的檢測確定信號。
①確定X軸、Y軸和Z軸的方向以及檢測參數(shù)。X軸、Y軸和Z軸的方向可以由操作人員手動選擇,操作人員可以在上位機輸入上述檢測參數(shù),檢測參數(shù)包括:各軸向的檢測點數(shù)量、檢測角度范圍和檢測頻率;②在進入檢測流程后的預(yù)定時間內(nèi),確定是否存在需要檢測的通道。一般情況下三維角度傳感器校準檢測系統(tǒng)中安裝了多少三維角度傳感器,就會存在多少需要檢測的通道,每個三維角度傳感器占用一個通道。如果不存在需要檢測的通道,則確定是否存在檢測完成確定信號,若存在,則檢測流程結(jié)束,若不存在則返回校準流程;③如果存在需要檢測的通道,確定三維角度傳感器所在的檢測通道;④確定檢測通道后,確定是否獲取至少一軸的檢測確定信號。如果任何軸向都不存在檢測確定信號,則確定是否存在檢測完成確定信號,若存在,則檢測流程結(jié)束,若不存在則返回校準流程。
(2)當(dāng)至少一軸的檢測確定信號在預(yù)設(shè)的檢測參數(shù)范圍內(nèi)時,對相應(yīng)的開關(guān)量信號設(shè)定的角度閾值進行檢測。
①確定至少一軸的檢測確定信號是否在預(yù)設(shè)的檢測參數(shù)范圍內(nèi);②如果至少一軸的檢測確定信號在預(yù)設(shè)的檢測參數(shù)范圍內(nèi),根據(jù)軸向的優(yōu)先級確定檢測數(shù)據(jù),并對相應(yīng)的開關(guān)量信號設(shè)定的角度閾值進行檢測;③如果至少一軸的檢測確定信號不在預(yù)設(shè)的檢測參數(shù)范圍內(nèi),修正檢測參數(shù)。當(dāng)至少一軸的檢測確定信號不在預(yù)設(shè)的檢測參數(shù)范圍內(nèi)時,上位機會發(fā)出相應(yīng)的提示,操作人員可以根據(jù)提示對檢測參數(shù)進行修正,以使至少一軸的檢測確定信號處在檢測參數(shù)范圍內(nèi);④在修正后的檢測參數(shù)基礎(chǔ)上獲取至少一軸的檢測確定信號;⑤根據(jù)軸向的優(yōu)先級對三維角度傳感器進行單方向檢測,軸向的優(yōu)先級從高到低依次為X軸、Y軸和Z軸。
(3)在一軸的檢測完成后,確定是否存在多通道的檢測完成確定信號。
①確定一軸的檢測是否完成;②如果一軸的檢測已經(jīng)完成,確定是否存在多通道的檢測完成確定信號。如果存在多通道的檢測完成確定信號,則表明三維角度傳感器校準檢測系統(tǒng)中所有的三維角度傳感器均完成了當(dāng)前軸向的檢測工作,結(jié)束檢測流程,如果一軸的檢測還未完成,則需要返回((1)-④)以完成當(dāng)前軸向的檢測;③如果不存在多通道的檢測完成確定信號,則需要返回((1)-②)以完成其他軸向以及通道的檢測。
(4)若存在多通道的檢測完成確定信號,則檢測流程結(jié)束。
多通道三維角度傳感器校準檢測系統(tǒng),包括角度測試轉(zhuǎn)臺、多通道數(shù)據(jù)采集裝置、信號線、上位機,三維角度傳感器安裝在角度測試轉(zhuǎn)臺上,與多通道數(shù)據(jù)采集裝置相連,角度測試轉(zhuǎn)臺與多通道數(shù)據(jù)采集裝置通過信號線分別與上位機連接,如圖3所示。角度測試轉(zhuǎn)臺,用于安裝多個三維角度傳感器,并控制三維角度傳感器進行三維轉(zhuǎn)動;數(shù)據(jù)采集裝置,用于采集角度測試轉(zhuǎn)臺上安裝的多個三維角度傳感器輸出的數(shù)據(jù);上位機,用于接收數(shù)據(jù)采集裝置采集到的數(shù)據(jù),對三維角度傳感器進行校準和檢測,并控制角度測試轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動狀態(tài)。其中,角度測試轉(zhuǎn)臺包括驅(qū)動裝置、多工位旋轉(zhuǎn)安裝平臺,驅(qū)動裝置與上位機相連,多工位旋轉(zhuǎn)安裝平臺包括16個工位。
圖3 測試系統(tǒng)示意圖
一般,信號采集模塊信號采集模塊包括模擬信號采集、數(shù)字信號采集和頻率信號采集[3]。本文設(shè)計系統(tǒng)支持模擬、數(shù)字信號采集,模擬信號可采集電流0~30mA,電壓信號可采集0~5V,數(shù)字信號可實現(xiàn)RS232、UART及RS485通信,在實際使用時具體操作步驟如下。
需要完成測試系統(tǒng)的電連接及測試,主要保證上位機與角度測試轉(zhuǎn)臺的通信正常,可實時調(diào)整轉(zhuǎn)臺進行定義角度旋轉(zhuǎn)。其中,上位機實際是通過控制驅(qū)動裝置實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺的控制。驅(qū)動裝置可以包括安裝架和驅(qū)動電機,安裝架包括多個U型的支架,多個U型的支架從外向內(nèi)依次轉(zhuǎn)動連接,驅(qū)動電機設(shè)置在支架的連接處,驅(qū)動電機可以選用步進電機,步進電機在上位機的控制下工作,以使驅(qū)動裝置發(fā)生轉(zhuǎn)動從而帶動角度測試轉(zhuǎn)臺。
(2)將待校準檢測的傳感器安裝在角度測試轉(zhuǎn)臺上(最多一次不超過16支),并完成三維傳感器與多通道數(shù)據(jù)采集裝置的連接,保證上位機可通過多通道數(shù)據(jù)采集裝置實現(xiàn)對三維角度傳感器的數(shù)據(jù)采集。
(3)根據(jù)校準檢測控制策略設(shè)置相應(yīng)參數(shù),多通道數(shù)據(jù)采集裝置支持模擬和數(shù)字信號的采集,當(dāng)傳感器與其連接后,采集的數(shù)字信號則可以通過RS232/RS485/UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,通 用異步收發(fā)傳輸器)接口將采集的數(shù)據(jù)傳輸至上位機。
(4)利用上位機軟件進行傳感器校準檢測控制策略的實行,根據(jù)角度測試轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動后傳感器反饋數(shù)據(jù),以轉(zhuǎn)臺角度為目標參照完成X/Y/Z軸的校準,在校準工作完成后,以轉(zhuǎn)臺角度為目標參照,檢測允許范圍內(nèi)X/Y/Z軸的角度值。
分別采用本文校準檢測方法和單支產(chǎn)品校準檢測方法就校準檢測時間和零點檢測結(jié)果進行比較,如表1及表2所示。
表1 單支與多通道校準檢測時間對比
表2 單支與多通道零點檢測結(jié)果對比
從對比實驗可以看出,本文提出的多通道三維角度傳感器校準檢測系統(tǒng),可實現(xiàn)不改變軸向安裝位置情況下,同時進行三維的校準與檢測兩個工序,遠比單支逐個檢測校準節(jié)省時間,提供了一種便捷、高效的校準檢測方法。且實驗數(shù)據(jù)也反映,多通道三維角度傳感器校準檢測系統(tǒng),提升了產(chǎn)品一致性,相較于單支檢測零點檢測結(jié)果對比誤差降低40%,提高了產(chǎn)品檢測的準確性。
本文中多通道三維角度傳感器校準檢測系統(tǒng),在可實現(xiàn)不改變軸向安裝位置情況下,同時實現(xiàn)三維的校準與檢測兩個工序,并且還提供了一種便捷、高效的校準及檢測方法,提升了產(chǎn)品一致性,降低了成本,提高了該類傳感器產(chǎn)品校準與檢測效率。