時柵角位移傳感器自動檢定系統

楊繼森　張　靜

重慶理工大學機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心,重慶,400050

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時柵角位移傳感器自動檢定系統

楊繼森張靜

重慶理工大學機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心,重慶,400050

針對時柵角位移傳感器產業(yè)化過程中產品質量檢定環(huán)節(jié)采用人工檢定方式導致工作效率低且容易產生漏記、錯記進而影響產品質量檢定的問題，研制了時柵角位移傳感器自動檢定系統。系統采用PMAC作為運動控制單元，以直驅電機作為驅動機構，有效減小傳動環(huán)節(jié)誤差，質量檢定選用ELCOMAT3000型雙軸電子自準直儀，全量程檢定誤差小于±0.25″。構建了參數化的直線梯形加速運動模型與產品質量檢定算法，整個產品質量檢定全部自動完成，檢定精度高，工作效率得到有效提升，產品質量得到可靠的保證。

時柵角位移傳感器;開放式多軸運動控制器；自動檢定；自準直儀

0　引言

時柵位移傳感器作為一種新型的角位移傳感器，采用了“用時間測空間”的時柵測量理論，有別于傳統柵式位移傳感器(光柵、磁柵、容柵等)的高精度刻劃柵線的結構，使加工難度和成本大幅度降低，因無需電子細分箱而使結構顯著簡化，可以達到以低精度的機械加工獲得高精度的測量效果[1-2]。

經過多年的學術積累與研究積淀,時柵位移傳感器形成了從學術理論到產業(yè)化的發(fā)展歷程。與哈爾濱量具刃具集團(簡稱哈量集團)合作建立的儀器儀表車間已經完成年產500臺(套)高精度時柵角位移傳感器的生產能力，形成整體式、分體式、軸式、孔式等多種規(guī)格的時柵角位移傳感器產品，該產品已經成功應用于哈量集團的3903、3906等多種型號的齒輪測量中心。隨著市場需求的進一步增長，時柵位移傳感器的產能提升也迫在眉睫，傳感器出廠前的產品精度檢定是傳感器質量保證的主要技術手段，目前主要采用光電自準直儀作為檢定儀器，人工手動轉位、人工記錄數據的形式使得工作效率低，而且由于人工記錄數據，經常容易發(fā)生記錯數據的情況，造成產品質量檢定問題[3-4]。為了滿足產能提升的需求，筆者研制了時柵位移傳感器自動檢定系統，以提高工作效率,提升產品質量。

1　系統方案

典型的時柵角位移傳感器產品如圖1所示。

圖1　軸式、孔式時柵位移傳感器

時柵位移傳感器自動檢定系統主要包括4個部分：結構基體、運動控制單元、誤差檢定單元和系統控制軟件單元，結構如圖2所示。為了保證整個檢定系統的穩(wěn)定性與精密性，設計了精密花崗石平臺及花崗石支架組成整個檢定系統的基體；為了減小傳動環(huán)節(jié)的傳動誤差對產品精度檢定的影響，運動控制單元選擇直驅電機作為運動部件，待檢時柵角位移傳感器和光柵傳感器直接連接在電機軸，光柵傳感器作為電機的位置反饋單元，系統控制軟件通過運動控制模塊連接伺服放大器驅動電機運動；根據角位移傳感器的檢定國家標準,誤差檢定單元采用光電自準直儀配合多面棱體的方式，光電自準直儀的測量數據通過接口直接輸入工控機,同時待檢時柵位移傳感器的測量數據也通過接口輸入工控機;系統控制軟件通過運動控制接口程序將驅動命令傳送到運動控制模塊，驅動電機準確轉動到指定位置，同時采樣時柵位移傳感器與自準直儀的測量數據，繪制測量曲線，進行產品的重復性、測量精度等檢定，給出檢定結果。

圖2　系統結構方案

2　系統硬件平臺設計

2.1花崗石基體

為了保證檢定系統的穩(wěn)定性與精密性，檢定系統的結構基體選擇泊頭市建新鑄造量具有限責任公司生產的精密花崗石平臺與花崗石支架。整個基體采用三層結構，結構簡單，方便時柵位移傳感器與光電自準直儀的安裝。

2.2PMAC運動控制

運動控制單元是檢定系統的重要組成部分，為了減小傳動誤差環(huán)節(jié)對檢定系統的影響，采用直驅傳動方式,選用美國Kollmorgen公司的直驅伺服系統，電機選用ServoStar CD系列Motor RBE-01215-B型直驅電機，運動控制部分采用PMAC控制卡[5]，PMAC(programmable multi-axes controller)是美國Delta Tau公司推出的開放式多軸運動控制器，它提供運動控制、離散控制、內務處理、同主機的交互等數字化控制功能。由于角位移傳感器標定系統只需要一個回轉軸，綜合考慮成本、開發(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PCI總線與工控機相連。為了實現伺服多環(huán)精密控制，選擇德國HEIDENHAIN公司的高精度角度光柵傳感器RON886和光柵信號細分電路盒IBV102，光柵傳感器的原始信號作為伺服放大器的反饋，經過細分的信號作為PMAC運動控制卡的反饋，構成多環(huán)閉環(huán)控制，其閉環(huán)控制結構如圖3所示。

圖3　運動控制框圖

2.3檢定裝置

根據JJF1352-2012角位移傳感器校準規(guī)范[6],對時柵角位移傳感器進行檢定采用多面棱體與光電自準直儀相結合的方法,光電自準直儀選擇德國MOLLER公司生產的ELCOMAT3000型雙軸電子自準直儀，其測量范圍為±1000″,全量程測量精度為±0.25″，分辨力在0.005～10″間,有11個擋位可選[7]。自準直儀帶RS232接口可以將測量數據上傳到計算機,避免由于人工記錄數據而產生錯記、漏記等狀況。

3　檢定模型與算法

3.1 精度檢定

全量程測量精度是時柵角位移傳感器最為重要的產品技術參數。根據多面棱體的工作面數N,驅動電機帶動棱體轉位到第一工作面,對準自準直儀,啟動系統控制軟件,同時通過計算機接口接收并記錄時柵位移傳感器測量值α1與自準直儀的測量值β1,完成棱體當前工作面的測量數據記錄,控制系統自動驅動電機運動位移為

(1)

其中，N為棱體工作面數;i為棱體當前對準的工作面位置,i=1,2,…,N。同樣記錄時柵位移傳感器測量值α2與自準直儀的測量值β2,以同樣步驟,對多面棱體的每一個工作面進行測量與數據記錄,可以獲得時柵位移傳感器測量值與自準直儀測量值兩個數據序列,從而計算出全量程范圍內傳感器的測量誤差：

(2)

式中,αi為棱體對準第i工作面時,時柵位移傳感器的測量示值;βi為棱體對準第i工作面時,自準直儀的測量示值；δi為棱體第i工作面的誤差修正值。

從測量得到的誤差序列中找出最大值與最小值之差，即為該傳感器的產品測量誤差：

e=max(e1,e2,…,eN)-min(e1,e2,…,eN)

(3)

3.2重復性檢定

測量重復性是指在相同測量方法、相同觀測者、相同測量儀器、相同場所、相同工作條件和短時期內，對同一被測量連續(xù)測量所得結果之間的一致程度[8]。在現有工程應用中對圓分度儀器進行重復性檢定時，常常采用的方法是對某一點進行多次測量，然后求標準偏差，再用標準偏差乘以置信因子作為被測儀器重復性的檢定標準[9]。這也是大多數非角度計量儀器進行重復性檢定的一種方法。對時柵角位移傳感器進行重復性檢定最初也是采用這種方法。但是由于時柵角位移傳感器是圓分度計量，需要檢定在0～360°測量范圍內的重復性,對某一工作點的測量結果進行檢定，具有較大的局限性。為了使檢定結果更具有代表性,本文提出了采用雙觀測法作為時柵角位移傳感器的重復性檢定標準方法。雙觀察法的測試過程與精度檢定過程類似，用相同的測試方法，連續(xù)對傳感器進行兩次精度檢定，并計算出兩次測量誤差序列:e1,e2,…,eN與ε1,ε2,…,εN。由誤差序列可計算兩次測量值差值的標準差為

(4)

di=ei-εii=1,2,…,N

由標準差的合成方法[10-11]可知

(5)

其中,σe是測量誤差序列e1,e2,…,eN的標準差;σε是測量誤差序列ε1,ε2,…,εN的標準差。由于兩次重復測量屬于等精度測量,故有

σe=σε

(6)

將式(6)代入式(5)可得

(7)

則有

(8)

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

(9)

結合式(8)與式(9)可得,傳感器重復性檢定的標準差為

(10)

4　系統軟件設計

4.1PMAC運動控制

(1)PID參數整定與系統調試。PMAC運動控制卡采用PID控制算法,具有電流、速度、位置三環(huán)控制策略,在使用之前必須進行PID參數整定工作。參數整定采用自動整定與交互整定相結合的方式，先利用系統自動整定功能初步確定PID參數，再利用交互整定功能，逐步細調PID整定參數，觀察運動響應曲線，以達到最佳運動性能，整定后的參數與運動響應曲線如圖4所示。

(a)參數整定對話框

(b)運動響應曲線圖4　PID參數整定

(2)運動控制程序。自動檢定系統只有一個回轉運動,控制程序采用線性位置控制方式。PMAC控制卡提供了圖5所示的兩種線性運動控制方式。圖5a表示直線梯形加速，系統以恒定的加速度加速到設定的速度，以設定速度運動一段位移，然后以恒定的加速度減速為零;圖5b表示S曲線加速,系統以S形加速曲線加速到指定的速度，加速過程平緩，運動系統較為平衡。PMAC 中含有各種運動模型和插補計算模塊,通過對PMAC編程可以較為容易地實現上述運動方式。

(a)直線加速度軌跡曲線

(b)S曲線加速度軌跡曲線圖5　S曲線與梯形加速對比

綜合考慮系統需求與技術特性,選擇直線梯形加速運動模型,為了便于采用靈活的運動控制模式,對運動控制采用參數化控制,利用PMAC控制卡中的運動插補指令與運動參數,構建圖6所示的直線加速運動模型。

圖6　直線梯形加速運動模型

將整個運動控制過程分為直線加速段、勻速運動段與直線減速段。根據運動控制要求，設定運動位移參數s(s=sacc+scon+sdec),直線加速段位移為sacc,運動速度為vcon。由于PMAC運動控制系統的單位為反饋脈沖數，故控制時需要將運動位移參數變換為脈沖數:

Nacc=saccRNd/360°

(11)

式中,sacc為加速段運動位移,(°);R為作為反饋的光柵傳感器的柵線數,RON886的柵線數為36 000；Nd為光柵細分盒設定的細分倍數,本系統設定為25。

根據直線勻加速方式,可以計算加、減速段的時間為

tacc=2Nacc/vcon

(12)

根據計算出的運動參數對線性運動模式采用參數化控制，運動控制程序參數配置核心代碼如下：

OPEN PROG 1 CLEAR

LINEAR;線性插補模式

INC;增量式運動模式

TA(tacc);設置加速時間

TS(0);設置S段參數為0

F(vcon);設置運動控制速度

X(s);設置運動位移

4.2檢定軟件系統

檢定軟件系統采用VC++作為開發(fā)工具,利用Delta Tau公司提供的PComm32動態(tài)鏈接庫實現對PMAC運動控制卡的參數化控制。時柵傳感器與光電自準直儀都通過RS232接口與工控機相連接。自準直儀通信波特率為2400,每秒傳送25次測量數據,時柵傳感器的通信波特率為57 600,每秒傳送400次測量數據。檢定軟件的工作流程如圖7所示。

5　現場測試與實驗結果

搭建的時柵位移傳感器自動檢定系統實驗平臺如圖8所示。

圖9所示為自動檢定軟件工作界面，其中左邊的示值為時柵傳感器的測量值，右邊的示值為光電自準直儀的測量值。

圖9　檢定軟件工作界面

待檢TRI 2414型時柵角位移傳感器的檢定參數如下：精度為±2″，測角重復性應不大于0.8″。采用正24面棱體，每次自動轉位15°，在同樣的測量條件下對待檢時柵角位移傳感器進行兩次誤差檢定，其檢定結果見表1、表2。

表1　第1周誤差檢定

表2　第2周誤差檢定

根據式(3)可以計算出待檢時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，根據式(10)可計算出待檢時柵角位移傳感器的重復性誤差為

σ=0.259″

則σ<0.8″,該待檢傳感器的檢定參數滿足設計要求，該傳感器符合出廠條件。

6　結束語

本文利用PMAC運動控制平臺，研制了時柵角位移傳感器的自動檢定系統，該系統實現了整個產品質量檢定過程全自動化，工作效率高，有效地解決了人工檢定時因出現漏記、錯記而影響產品質量檢定的問題，為時柵位移傳感器的增產提供了有力的技術支持。而且該檢定系統可將光電自準直儀更換為激光干涉儀用作時柵角位移傳感器的誤差標定系統，這將是今后研究的重點。

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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

國家自然科學基金資助項目(51205434，51305478);重慶市教委科學技術研究項目(KJ1400904);重慶市科技計劃資助項目(cstc2014jcyjA70003)

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

楊繼森,男,1977年生。重慶理工大學時柵傳感及先進檢測技術重慶市重點實驗室副主任、副教授。主要研究方向為計算機輔助測試與智能傳感器。張靜,女,1981年生。重慶理工大學電子信息與自動化學院講師。