基于高精度轉(zhuǎn)臺的信號電機(jī)自動測試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

鄭 潔

(西安微電機(jī)研究所，西安 710077)

0 引 言

隨著自動化技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)代測試技術(shù)正在向多功能、集成化、智能化發(fā)展。要實(shí)現(xiàn)正確高效的檢測，只有通過性能好、精度高、質(zhì)量可靠的儀器設(shè)備測試到各種有關(guān)的信息才能完成。而新型可程控儀器設(shè)備的出現(xiàn)及計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為測試數(shù)據(jù)的可靠性、智能化處理提供了先進(jìn)的手段。

目前，國內(nèi)外測試轉(zhuǎn)臺的發(fā)展水平日益提高。其關(guān)鍵技術(shù)包含了機(jī)械結(jié)構(gòu)、高精度軸系、驅(qū)動元件、高精度傳感器、伺服控制技術(shù)、機(jī)電一體化等多學(xué)科研究成果。通過多學(xué)科的迭代發(fā)展，為測試自動化測量的改進(jìn)和創(chuàng)新提供了良好的助力環(huán)境,使得位置信號電機(jī)的自動測試成為可能，在實(shí)際的檢測工作中,人工測量產(chǎn)品的測試系統(tǒng)已逐漸被自動測試系統(tǒng)所替代[1]。

1 信號電機(jī)精度傳統(tǒng)測試方法

電氣誤差是多極旋變及自整角機(jī)最基本最核心的技術(shù)指標(biāo)，反應(yīng)的是信號類電機(jī)電氣輸出角度值與實(shí)際角度值之差，也稱為電機(jī)的精度。

圖1 信號電機(jī)精度人工測試系統(tǒng)框圖

由于電機(jī)可實(shí)時(shí)連續(xù)反饋角度變化，動態(tài)與靜態(tài)的電氣誤差并無區(qū)別，目前大多為靜態(tài)下進(jìn)行測試。在手工測試中，被測電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，電氣角模擬相應(yīng)位置的轉(zhuǎn)換，都是人工手調(diào)。圖1構(gòu)建的測試系統(tǒng)就是人工測試系統(tǒng)。

單極電機(jī)如自整角機(jī)測試精度要求24點(diǎn)法和72點(diǎn)法，可用角位指示器進(jìn)行梯度法測量。對于多極旋變發(fā)送機(jī)，除粗機(jī)的24點(diǎn)電氣誤差檢測外，精機(jī)試驗(yàn)時(shí)，從基準(zhǔn)電氣零位開始，轉(zhuǎn)子正向旋轉(zhuǎn)，依次讀取所有點(diǎn)的零位誤差，并分別記下轉(zhuǎn)子實(shí)際機(jī)械角度與其相應(yīng)的理論電氣位置所對應(yīng)的機(jī)械角度，超前為正偏差，滯后為負(fù)偏差，共4P個(gè)點(diǎn)，如32対機(jī)的電機(jī)零位誤差需要測試128個(gè)點(diǎn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求在最大正負(fù)零位誤差所處的極對下，各測一對極，每對極測24點(diǎn)的電氣角度。可見，需要極對數(shù)越大測試的點(diǎn)越多，耗時(shí)越長[2]。

2 自動測試系統(tǒng)組成

自動測試系統(tǒng)如圖2所示，由角位指示儀、相敏電壓表、轉(zhuǎn)臺裝置、上下位機(jī)及控制箱、USB接口線路、打印機(jī)等硬件和測試軟件組成。被試電機(jī)同軸安裝在分度頭轉(zhuǎn)臺上，通過轉(zhuǎn)臺對電機(jī)自動驅(qū)動，同步勻速旋轉(zhuǎn)一周(0°～360°)，從而完成電機(jī)性能指標(biāo)測試。相敏電壓表在自動測試系統(tǒng)中完成零位電壓的測試，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集角位指示器的角度數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電氣誤差精度的自動測試。

圖2 自動測試系統(tǒng)組成

在本自動測試系統(tǒng)中，數(shù)字式精密光柵分度頭及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成的單軸高精度電動分度頭轉(zhuǎn)臺裝置是整個(gè)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)臺控制示意圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)臺控制示意圖

工作臺面和機(jī)械臺體主要完成被測電機(jī)的安裝，其連接輸出導(dǎo)航插頭包括臺體信號、手輪信號和測試信號；機(jī)械軸承組成的軸系實(shí)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動電機(jī)為有刷直流力矩電機(jī)，作為伺服控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，是一種能夠長期處于堵轉(zhuǎn)或低速狀態(tài)下工作且輸出大轉(zhuǎn)矩的電動機(jī)[3]。其適配器具有數(shù)字式驅(qū)動，采用模塊化設(shè)計(jì)，PID控制算法，是以高性能驅(qū)動為控制核心的控制系統(tǒng)。直接驅(qū)動，減少了傳動誤差，具有較高的可靠性和動態(tài)性能。高精度增量式光電編碼器提供轉(zhuǎn)角信號作為位置和速度反饋，實(shí)時(shí)驅(qū)動轉(zhuǎn)臺低速平穩(wěn)運(yùn)行。

數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)主要包括采樣和處理硬件系統(tǒng)。通過RS232通信，驅(qū)動器與下位機(jī)實(shí)現(xiàn)信號驅(qū)動和細(xì)分，并與上位機(jī)通信進(jìn)行控制分析。上位機(jī)的控制軟件用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、通訊控制、數(shù)據(jù)顯示、轉(zhuǎn)換和分析等。以完成數(shù)據(jù)收集、分析、處理、顯示和存儲，并最終輸出數(shù)據(jù)結(jié)果。

測角的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)原理如圖4所示，粗碼電路用于記錄碼盤放大整形得到的脈沖信號所指定的角度位置。精碼電路通過軟件處理將碼盤正弦信號輸出細(xì)分，記錄高分辨率的角度位置，通過粗、精耦合得到精確的角度位置[4-5]。

圖4 測角的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)原理圖

3 高精度電動分度頭操作軟件功能及自動測試的實(shí)現(xiàn)

高精度電動分度頭操作軟件主要界面及功能見圖5，軟件功能包含五個(gè)區(qū)域。在自動測試中，只需將被測電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)臺裝置檢測工裝上，給定激磁電壓和頻率，進(jìn)行功能操作，調(diào)整好電機(jī)基準(zhǔn)電氣零位的初始位置，進(jìn)入自動測試，選擇數(shù)據(jù)庫電機(jī)測試程序的相應(yīng)型號，向計(jì)算機(jī)發(fā)出電氣誤差或零位誤差的測試指令，計(jì)算機(jī)通過對機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)測角分度頭精準(zhǔn)程控，實(shí)現(xiàn)被測電機(jī)的勻速轉(zhuǎn)動；同時(shí)，利用角位指示器的粗、精雙通道功能進(jìn)行雙通道數(shù)據(jù)采集，將每一點(diǎn)的電氣角度值通過接口傳輸、實(shí)時(shí)地采集到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到準(zhǔn)確的產(chǎn)品精度，并由打印機(jī)輸出測試結(jié)果。

圖5 軟件主要界面及功能

測試系統(tǒng)要求高精度電動轉(zhuǎn)臺定位精度為±3″；經(jīng)校準(zhǔn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)的定位精度為最大正誤差：1.5″，最大負(fù)誤差：-1.4″，從圖6角位置精度測試誤差測試結(jié)果可見，滿足測試要求[6]。

圖6 角位置精度測試誤差測試結(jié)果

經(jīng)對同類產(chǎn)品的重復(fù)性測試驗(yàn)證，多次比對，系統(tǒng)測試覆蓋范圍廣，可測正反雙向的誤差值，其中根據(jù)產(chǎn)品種類，技術(shù)要求不斷建立新的測試數(shù)據(jù)庫，已完成近百種類、多型號單極及多極電機(jī)的自動測試。圖7(a)為某32對極電機(jī)零位誤差測試曲線圖，最大正誤差為5.4″，最大負(fù)誤差為-6.1″，圖7(b)為32對極電氣誤差測試曲線圖，最大正負(fù)零點(diǎn)位置的電氣誤差測試結(jié)果，最大正誤差為5.0″，最大負(fù)誤差為-6.7″，電機(jī)的精度為平均值5.9″，經(jīng)與手動測試比對，結(jié)論一致。

圖7 測試曲線

4 結(jié) 語

本自動測試系統(tǒng)的組建提高了工作效率，減小了人為誤差，實(shí)現(xiàn)了高效高精度測試。使得測試方案在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，滿足各項(xiàng)指標(biāo)的測試要求。試驗(yàn)與設(shè)計(jì)仿真一致，均達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。

全自動測試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及使用工業(yè)上成熟、先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)，在動態(tài)運(yùn)行過程中，能對信號電機(jī)進(jìn)行動態(tài)參數(shù)分析和測試，集成機(jī)械臂，序列號識別，自動完成對產(chǎn)品抓取和識別，智能分析測試數(shù)據(jù)及判斷分揀的人工智能測試，是今后組建測試系統(tǒng)和測試技術(shù)發(fā)展努力研究的方向和目標(biāo)。