專利名稱：多功能動態(tài)精度試驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及動態(tài)精度研究試驗系統(tǒng)，用于動態(tài)測量系統(tǒng)精度損失，全系統(tǒng)動態(tài)誤差建模、 誤差分解和溯源、精度損失建模等方面的研究，為分析動態(tài)測量系統(tǒng)所具有的動態(tài)精度特性 提供手段。
背景技術(shù)：
當(dāng)今信息時代，測試技術(shù)作為信息技術(shù)的源頭，對現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)起著異常重要的關(guān)鍵作 用，發(fā)展十分迅速。為了適應(yīng)現(xiàn)代科技的需要，測試技術(shù)中的動態(tài)測量發(fā)展更為突出，應(yīng)用 十分廣泛，作為測試技術(shù)的重要基礎(chǔ)理論一動態(tài)精度理論也必須與之相適應(yīng)。
過去長期采用的經(jīng)典誤差與精度理論，是以統(tǒng)計原理為理論知識，以正態(tài)分布為典型描 述、以隨機(jī)誤差為評定主體來評定測量結(jié)果精度，這顯然不適用于現(xiàn)代測試技術(shù)。
1995年由ISO等7個國際組織制定并實(shí)施的《GUM95》，對統(tǒng)一世界各國測量結(jié)果精 度評定起了積極作用，但是仍然主要以靜態(tài)測量為主要對象，這是在還沒有更科學(xué)合理方法 情況下所采取的權(quán)宜措施。為了改變這種狀況，近年來國內(nèi)外對動態(tài)測量誤差和精度理論問 題給予了高度重視，國內(nèi)外一系列相關(guān)學(xué)術(shù)研討活動，大大的推動了動態(tài)測量誤差與精度理 論及應(yīng)用的研究和發(fā)展，但由于其復(fù)雜性，仍有很多問題需要深入研究解決。
全面系統(tǒng)地研究動態(tài)測量精度理論及應(yīng)用，必須將動態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部組成因素和外部輸出特 性兩者結(jié)合進(jìn)行分析。傳統(tǒng)的動態(tài)系統(tǒng)描述是把系統(tǒng)看成一個"黑箱"，采用時域或頻域分 析方法，根據(jù)輸入和輸出信號對系統(tǒng)進(jìn)行建模。這種方法比較容易求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，而 且能反映系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)，但若進(jìn)一步研究系統(tǒng)內(nèi)部各組成單元對系統(tǒng)總輸出的影響則 不具有優(yōu)越性，因為它不考慮系統(tǒng)內(nèi)部各組成單元性能變化對整個系統(tǒng)的影響；傳統(tǒng)分析方 法建立的模型雖然具有其實(shí)時性的特點(diǎn)，但存在隨時間變化不確定性，各組成元件的磨損老 化和性能變化等均會導(dǎo)致系統(tǒng)傳遞函數(shù)的變化，其變化規(guī)律用"黑箱"分析建模方法難以求 取。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種多功能動態(tài)精度試驗系統(tǒng)， 用于研究動態(tài)系統(tǒng)的全系統(tǒng)動態(tài)誤差、精度損失、誤差分解和溯源等理論，為研究動態(tài)系統(tǒng) 所具有的動態(tài)精度特性及其相關(guān)分析提供手段。
本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明多功能動態(tài)精度試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是設(shè)置由伺服驅(qū)動器控制、帶動減速機(jī)旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)，減速機(jī)的輸出軸通過波紋管聯(lián)軸 器與滾珠絲桿連接，在滾珠絲桿的螺母上固聯(lián)有可沿直線導(dǎo)軌軸向滑移的工作臺，工作臺由 位于滾珠絲桿兩側(cè)的直線導(dǎo)軌支撐；
設(shè)置各測量機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)中的內(nèi)置增量式編碼器，以增量式編碼器測量伺服電機(jī) 在"時間內(nèi)的反饋脈沖數(shù)；用于測量減速機(jī)的轉(zhuǎn)角的圓光柵編碼器；以及用于測量工作臺 的位移量的滾動式光柵線位移傳感器；
設(shè)置多路信號數(shù)據(jù)采集卡，各測量機(jī)構(gòu)的檢測信號通過多路信號數(shù)據(jù)采集卡在PC機(jī)中 同步顯示。
本發(fā)明多功能動態(tài)精度試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于
所述伺服電機(jī)工作于位置控制模式，采用指令脈沖和指令方向信號輸入的控制方式。 設(shè)置伺服電機(jī)自動換向控制機(jī)構(gòu)，包括在直線導(dǎo)軌上分別設(shè)置用于限制工作臺的前后移 動距離的前端限位器和尾端限位器；在工作臺的對應(yīng)位置上分別設(shè)置前端遮光片和尾端遮光 片，前端限位器和尾端限位器采用反射式光電傳感器，兩只反射式光電傳感器的集電極分別 接入在同一只RS觸發(fā)器的輸入S。端和輸入J D端，RS觸發(fā)器的輸出Q端接入伺服驅(qū)動器
作為指令方向信號，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)在運(yùn)動中的自動換向。
在儀器設(shè)備的使用過程中，由于自然和人為等因素，系統(tǒng)的精度往往會隨著時間呈下降 趨勢。特別是現(xiàn)代精密裝備，由于組成系統(tǒng)及裝備的復(fù)雜多樣性，精度損失也以各種各樣的 形式存在，為了保證最終結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須依據(jù)可靠的手段來研究精度的變化，以便采用 相應(yīng)措施加以補(bǔ)償。利用該動態(tài)精度研究試驗系統(tǒng)研究精度損失變化規(guī)律，有助于確定系統(tǒng) 的使用壽命和檢定周期，為測量系統(tǒng)的預(yù)防性維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。
本發(fā)明系統(tǒng)中包含了豐富的誤差源，包括減速機(jī)、絲杠等都不同程度地影響系統(tǒng)的總誤 差。本發(fā)明利用高精度光柵傳感器測量各部分的誤差，進(jìn)而對研究系統(tǒng)中各部分誤差之間的 關(guān)系提供了保證。
本發(fā)明系統(tǒng)可以有三路信號輸出，包括伺服電機(jī)在"時間內(nèi)的轉(zhuǎn)角^、減速機(jī)在Af時 間內(nèi)的轉(zhuǎn)角0>2以及工作臺在厶 時間內(nèi)的位移。通過比對電機(jī)編碼器輸出信號和圓光柵編碼
器輸出信號可以研究電機(jī)和減速機(jī)之間的傳動誤差，通過比對圓光柵編碼器和滾動式光柵線 位移傳感器輸出信號可以研究減速機(jī)和滾珠絲杠之間的傳動誤差，也可以通過比對電機(jī)編碼 器輸出信號與滾動式光柵線位移傳感器輸出信號來研究系統(tǒng)總的誤差大小。
增量式編碼器、圓光柵編碼器、滾動式光柵線位移傳感器的輸出信號均為三組差分方波信號A+、 A-、 B+、 B-、 Z+、 Z-，其中A、 B信號相差90。，當(dāng)電機(jī)正傳時A相超前B相 90° ，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時B相超前A相90。，將三組信號輸入到數(shù)據(jù)采集卡中，采集卡帶有32 位四元AB相位編碼計數(shù)器，可對三路信號進(jìn)行同步采集，通過Labview編寫數(shù)據(jù)采集界面 來實(shí)時顯示三路信號的大小。
在A^內(nèi)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度為①,，減速機(jī)的減速比為i，減速機(jī)在Af內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度為02，滾
珠絲杠的導(dǎo)程為S，則直線圓導(dǎo)軌在A/內(nèi)的位移為L，理論上應(yīng)該有
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但是由于電機(jī)和減速機(jī)之間以及減速機(jī)和滾珠絲杠之間存在傳動誤差，而且它們的傳動 精度也會隨著時間慢慢降低，造成精度損失，因此它們的實(shí)際值和理論值之間存在較大偏差。 利用高精度傳感器配合數(shù)據(jù)采集卡可以測得它們實(shí)際值，從而進(jìn)行對系統(tǒng)的動態(tài)精度進(jìn)行研 究。
將伺服電機(jī)在A 時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的角度(P,作為比對的標(biāo)準(zhǔn)值，減速機(jī)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度(D,作
為比較值，在M時間內(nèi)，電機(jī)內(nèi)置增量式編碼器的輸出脈沖為N1，圓光柵編碼器輸出脈沖 為N2，將兩路脈沖信號同步輸入到采集卡中進(jìn)行計數(shù)，然后在PC中同歩顯示出cD,和c^的
大小，轉(zhuǎn)角誤差為厶0 = 0,-/02。理論上A①為一個常數(shù)C，但是隨著使用時間的延長，造
成減速機(jī)齒輪的磨損等因素導(dǎo)致精度損失，AO成為一個隨t變化的量，也就是A(D:f(t)， 它反映了減速機(jī)在長期運(yùn)行過程中的精度損失問題，通過長期的觀察實(shí)驗A①與t的關(guān)系可 以研究減速機(jī)在長期工作過程中的精度損失原因，找出引起減速機(jī)的精度損失來源，從而對 動態(tài)系統(tǒng)的精度分析進(jìn)行更深入的研究。
將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度O,作為標(biāo)準(zhǔn)值，直線圓導(dǎo)軌位移L作為比較值，通過兩者之間
的關(guān)系研究整個系統(tǒng)的誤差特性及其精度損失。
將減速機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度0)2作為標(biāo)準(zhǔn)值，直線圓導(dǎo)軌位移L作為比較值，從而研究滾珠絲
桿和直線圓導(dǎo)軌的傳動關(guān)系以及導(dǎo)軌的精度損失。
將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度①,作為標(biāo)準(zhǔn)值，減速機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度02和直線圓導(dǎo)軌位移L作為
比較值，研究動態(tài)系統(tǒng)的誤差分解和溯源以及精度損失。
本發(fā)明多功能動態(tài)精度試驗裝置是一個非常典型的動態(tài)精度運(yùn)動系統(tǒng)，通過它可以對動態(tài)系統(tǒng)的誤差來源、誤差特性等進(jìn)行深入分析，對于研究動態(tài)誤差的分解和溯源、建立動態(tài) 測量系統(tǒng)最優(yōu)化均勻設(shè)計理論等提供手段。
與己有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在
1、 本發(fā)明采用工程中常用的運(yùn)動部件和高精度的測量儀器，組成一個動態(tài)的運(yùn)動系統(tǒng) 和測量系統(tǒng)。利用本發(fā)明動態(tài)精度實(shí)驗裝置可以分析某個運(yùn)動部件的動態(tài)誤差，也可以分析 系統(tǒng)總的動態(tài)誤差，從而達(dá)到對動態(tài)系統(tǒng)誤差的分解和溯源、全系統(tǒng)動態(tài)誤差建模等動態(tài)精 度理論進(jìn)行更深入研究的目的。
2、 本發(fā)明系統(tǒng)中采用高精度光柵傳感器作為測量部件，達(dá)到很高的精度等級，便于進(jìn) 行系統(tǒng)的動態(tài)誤差分解和溯源等理論的研究。
3、 本發(fā)明系統(tǒng)中利用工程中常用的運(yùn)動部件電機(jī)、減速機(jī)、滾珠絲杠等，分析它們 的動態(tài)精度特性、動態(tài)精度損失等，對動態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計理論具有指導(dǎo)意義。
4、 本發(fā)明系統(tǒng)可以采用Labview編程語言完成數(shù)據(jù)采集程序的編寫，界面簡潔友好， 信號分析和處理功能十分強(qiáng)大，利用LabSQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)存儲實(shí)驗數(shù)據(jù)，便于對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn) 行分析。


圖l為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明滾珠絲桿位置俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明信號采集系統(tǒng)框圖。
圖4為本發(fā)明伺服電機(jī)自動換向控制機(jī)構(gòu)電路原理框圖。 以下通過具體實(shí)施方式
，結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖中標(biāo)號l伺服控制器、2伺服電機(jī)、3圓光柵編碼器、5聯(lián)軸器、6減速機(jī)、7波紋 管聯(lián)軸器、8滾珠絲桿、9前端限位器、IO直線導(dǎo)軌、ll前端遮光片、12工作臺、13讀數(shù) 頭、14尾端遮光片、15滾動式光柵線位移傳感器、16尾端限位器、17基座。
具體實(shí)施例方式
參見圖l、圖2，系統(tǒng)運(yùn)動機(jī)構(gòu)為設(shè)置由伺服驅(qū)動器l控制、帶動減速機(jī)6旋轉(zhuǎn)的伺 服電機(jī)2，減速機(jī)6為二級斜齒輪減速機(jī)，減速機(jī)6有兩端輸出，減速機(jī)6的一端輸出軸通 過聯(lián)軸器5與圓光柵編碼器3連接，另一端通過波紋管聯(lián)軸器7與滾珠絲桿8連接，滾珠絲 桿8與螺母通過鋼球?qū)崿F(xiàn)滾動傳動；在滾珠絲桿8的螺母上固聯(lián)有可沿直線導(dǎo)軌10軸向滑 移的工作臺12，工作臺12由位于滾珠絲桿8兩側(cè)的直線導(dǎo)軌IO支撐，直線導(dǎo)軌10為兩端 支撐，中間懸空；利用滾動式光柵線位移傳感器15測量位移，其中，讀數(shù)頭13采用滾珠軸承定位和導(dǎo)向，摩擦小，靈敏度高，讀數(shù)頭13與工作臺12通過螺紋連接，滾動式光柵線位 移傳感器15固定于基座17上，利用讀數(shù)頭13和滾動式光柵線位移傳感器15的相對位移精 確測量工作臺12的直線位移量。
圖l、圖2所示，系統(tǒng)測量機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)2中的內(nèi)置增量式編碼器，以增量式編 碼器測量伺服電機(jī)2在Af時間內(nèi)的反饋脈沖數(shù);用于測量減速機(jī)6的轉(zhuǎn)角的圓光柵編碼器3; 以及用于測量工作臺12的位移量的滾動式光柵線位移傳感器15。
參見圖3，系統(tǒng)信號采集為設(shè)置三路信號數(shù)據(jù)采集卡，三路信號差分輸入到采集卡中， 在Labview環(huán)境下編寫采集程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的精確定時采集，使動態(tài)系統(tǒng)的輸出信號能夠快 速、實(shí)時在PC機(jī)中同步顯示?？紤]到動態(tài)精度損失及溯源需要長時間的數(shù)據(jù)參數(shù)，因此需 要提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫支持，可以采用LabSQL技術(shù)訪問數(shù)據(jù)庫，完成實(shí)驗數(shù)據(jù)的記錄、查詢 和修改。
具體實(shí)施中，采用通用型小慣量伺服電機(jī)2，采用指令脈沖和指令方向信號輸入的位置 控制模式，可以實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。
設(shè)置伺服電機(jī)自動換向控制機(jī)構(gòu)，包括在直線導(dǎo)軌IO上分別設(shè)置用于限制工作臺12的 前后移動距離的前端限位器9和尾端限位器16;在工作臺12的對應(yīng)位置上分別設(shè)置前端遮 光片11和尾端遮光片14，前端限位器9和尾端限位器16采用反射式光電傳感器；
參見圖4，分別作為前端限位器9和尾端限位器16的兩只反射式光電傳感器的集電極分 別接入同一只RS觸發(fā)器的輸入&端和輸入i^端，RS觸發(fā)器的輸出Q端接入伺服驅(qū)動器1
作為指令方向信號，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)2在運(yùn)動中的自動換向。
本發(fā)明系統(tǒng)可用于對動態(tài)測量系統(tǒng)所具有的精度特性、誤差來源等進(jìn)行更深入的分析。 在動態(tài)精度理論的基礎(chǔ)上，可以采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和及多分辨分析方法對該動態(tài)精度研究試 驗系統(tǒng)進(jìn)行誤差的分解和溯源，采用現(xiàn)代頻譜分析技術(shù)、遺傳算法及逆向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和小 波分析理論相結(jié)合的多種現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法，對誤差分解和溯源及由此導(dǎo)出的精度損失函數(shù)進(jìn)行 更深入的研究。
權(quán)利要求
1、多功能動態(tài)精度試驗系統(tǒng)，其特征是設(shè)置由伺服驅(qū)動器(1)控制、帶動減速機(jī)(6)旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)(2)，所述減速機(jī)(6)的輸出軸通過波紋管聯(lián)軸器(7)與滾珠絲桿(8)連接，在所述滾珠絲桿(8)的螺母上固聯(lián)有可沿直線導(dǎo)軌(10)軸向滑移的工作臺(12)，所述工作臺(12)由位于滾珠絲桿(8)兩側(cè)的直線導(dǎo)軌(10)支撐；設(shè)置各測量機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)(2)中的內(nèi)置增量式編碼器，以所述增量式編碼器測量伺服電機(jī)(2)在Δt時間內(nèi)的反饋脈沖數(shù)；用于測量減速機(jī)(6)的轉(zhuǎn)角的圓光柵編碼器(3)；以及用于測量工作臺(12)的位移量的滾動式光柵線位移傳感器(15)；設(shè)置多路信號數(shù)據(jù)采集卡，各測量機(jī)構(gòu)的檢測信號通過多路信號數(shù)據(jù)采集卡在PC機(jī)中同步顯示。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能動態(tài)精度試驗系統(tǒng)，其特征是所述伺服電機(jī)(2)工作 于位置控制模式，采用指令脈沖和指令方向信號輸入的控制方式。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多功能動態(tài)精度試驗系統(tǒng)，其特征是設(shè)置伺服電機(jī)自動換向 控制機(jī)構(gòu)，包括在直線導(dǎo)軌(10)上分別設(shè)置用于限制工作臺(12)的前后移動距離的前端 限位器(9)和尾端限位器(16);在所述工作臺(12)的對應(yīng)位置上分別設(shè)置前端遮光片(11) 和尾端遮光片(14)，所述前端限位器(9)和尾端限位器(16)采用反射式光電傳感器，兩只反射式光電傳感器的集電極分別接入在同一只RS觸發(fā)器的輸入&端和輸入i^端，所述RS觸發(fā)器的輸出Q端接入伺服驅(qū)動器(1)作為指令方向信號，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)(2)在運(yùn)動 中的自動換向。
全文摘要
多功能動態(tài)精度試驗系統(tǒng)，其特征是設(shè)置伺服電機(jī)，減速機(jī)的輸出軸通過波紋管聯(lián)軸器與滾珠絲桿連接，在滾珠絲桿的螺母上固聯(lián)有可沿直線導(dǎo)軌軸向滑移的工作臺，工作臺由位于滾珠絲桿兩側(cè)的直線導(dǎo)軌支撐；設(shè)置各測量機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)中內(nèi)置增量式編碼器，用于測量減速機(jī)的轉(zhuǎn)角的圓光柵編碼器；以及用于測量工作臺的位移量的滾動式光柵線位移傳感器，設(shè)置多路信號數(shù)據(jù)采集卡，各測量機(jī)構(gòu)的檢測信號通過多路信號數(shù)據(jù)采集卡在PC機(jī)中同步顯示。本發(fā)明用于研究動態(tài)系統(tǒng)的全系統(tǒng)動態(tài)誤差、精度損失、誤差分解和溯源等理論，為研究動態(tài)系統(tǒng)所具有的動態(tài)精度特性及其相關(guān)分析提供手段。
文檔編號G01M13/00GK101532912SQ20091011661
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日
發(fā)明者黨學(xué)明, 珊 姜, 程真英, 胡茂留, 費(fèi)業(yè)泰, 振 賈, 陳曉懷, 黃曉明 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)