时栅角位移传感器自动检定系统

杨继森　张　静

重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心,重庆,400050



时栅角位移传感器自动检定系统

杨继森张静

重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心,重庆,400050

针对时栅角位移传感器产业化过程中产品质量检定环节采用人工检定方式导致工作效率低且容易产生漏记、错记进而影响产品质量检定的问题，研制了时栅角位移传感器自动检定系统。系统采用PMAC作为运动控制单元，以直驱电机作为驱动机构，有效减小传动环节误差，质量检定选用ELCOMAT3000型双轴电子自准直仪，全量程检定误差小于±0.25″。构建了参数化的直线梯形加速运动模型与产品质量检定算法，整个产品质量检定全部自动完成，检定精度高，工作效率得到有效提升，产品质量得到可靠的保证。

时栅角位移传感器;开放式多轴运动控制器；自动检定；自准直仪

0　引言

时栅位移传感器作为一种新型的角位移传感器，采用了“用时间测空间”的时栅测量理论，有别于传统栅式位移传感器(光栅、磁栅、容栅等)的高精度刻划栅线的结构，使加工难度和成本大幅度降低，因无需电子细分箱而使结构显著简化，可以达到以低精度的机械加工获得高精度的测量效果[1-2]。

经过多年的学术积累与研究积淀,时栅位移传感器形成了从学术理论到产业化的发展历程。与哈尔滨量具刃具集团(简称哈量集团)合作建立的仪器仪表车间已经完成年产500台(套)高精度时栅角位移传感器的生产能力，形成整体式、分体式、轴式、孔式等多种规格的时栅角位移传感器产品，该产品已经成功应用于哈量集团的3903、3906等多种型号的齿轮测量中心。随着市场需求的进一步增长，时栅位移传感器的产能提升也迫在眉睫，传感器出厂前的产品精度检定是传感器质量保证的主要技术手段，目前主要采用光电自准直仪作为检定仪器，人工手动转位、人工记录数据的形式使得工作效率低，而且由于人工记录数据，经常容易发生记错数据的情况，造成产品质量检定问题[3-4]。为了满足产能提升的需求，笔者研制了时栅位移传感器自动检定系统，以提高工作效率,提升产品质量。

1　系统方案

典型的时栅角位移传感器产品如图1所示。

图1　轴式、孔式时栅位移传感器

时栅位移传感器自动检定系统主要包括4个部分：结构基体、运动控制单元、误差检定单元和系统控制软件单元，结构如图2所示。为了保证整个检定系统的稳定性与精密性，设计了精密花岗石平台及花岗石支架组成整个检定系统的基体；为了减小传动环节的传动误差对产品精度检定的影响，运动控制单元选择直驱电机作为运动部件，待检时栅角位移传感器和光栅传感器直接连接在电机轴，光栅传感器作为电机的位置反馈单元，系统控制软件通过运动控制模块连接伺服放大器驱动电机运动；根据角位移传感器的检定国家标准,误差检定单元采用光电自准直仪配合多面棱体的方式，光电自准直仪的测量数据通过接口直接输入工控机,同时待检时栅位移传感器的测量数据也通过接口输入工控机;系统控制软件通过运动控制接口程序将驱动命令传送到运动控制模块，驱动电机准确转动到指定位置，同时采样时栅位移传感器与自准直仪的测量数据，绘制测量曲线，进行产品的重复性、测量精度等检定，给出检定结果。

图2　系统结构方案

2　系统硬件平台设计

2.1花岗石基体

为了保证检定系统的稳定性与精密性，检定系统的结构基体选择泊头市建新铸造量具有限责任公司生产的精密花岗石平台与花岗石支架。整个基体采用三层结构，结构简单，方便时栅位移传感器与光电自准直仪的安装。

2.2PMAC运动控制

运动控制单元是检定系统的重要组成部分，为了减小传动误差环节对检定系统的影响，采用直驱传动方式,选用美国Kollmorgen公司的直驱伺服系统，电机选用ServoStar CD系列Motor RBE-01215-B型直驱电机，运动控制部分采用PMAC控制卡[5]，PMAC(programmable multi-axes controller)是美国Delta Tau公司推出的开放式多轴运动控制器，它提供运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等数字化控制功能。由于角位移传感器标定系统只需要一个回转轴，综合考虑成本、开发难度等因素，选择具有两轴控制功能的MINI PMAC PCI，控制卡通过PCI总线与工控机相连。为了实现伺服多环精密控制，选择德国HEIDENHAIN公司的高精度角度光栅传感器RON886和光栅信号细分电路盒IBV102，光栅传感器的原始信号作为伺服放大器的反馈，经过细分的信号作为PMAC运动控制卡的反馈，构成多环闭环控制，其闭环控制结构如图3所示。

图3　运动控制框图

2.3检定装置

根据JJF1352-2012角位移传感器校准规范[6],对时栅角位移传感器进行检定采用多面棱体与光电自准直仪相结合的方法,光电自准直仪选择德国MOLLER公司生产的ELCOMAT3000型双轴电子自准直仪，其测量范围为±1000″,全量程测量精度为±0.25″，分辨力在0.005～10″间,有11个挡位可选[7]。自准直仪带RS232接口可以将测量数据上传到计算机,避免由于人工记录数据而产生错记、漏记等状况。

3　检定模型与算法

3.1 精度检定

全量程测量精度是时栅角位移传感器最为重要的产品技术参数。根据多面棱体的工作面数N,驱动电机带动棱体转位到第一工作面,对准自准直仪,启动系统控制软件,同时通过计算机接口接收并记录时栅位移传感器测量值α1与自准直仪的测量值β1,完成棱体当前工作面的测量数据记录,控制系统自动驱动电机运动位移为

(1)

其中，N为棱体工作面数;i为棱体当前对准的工作面位置,i=1,2,…,N。同样记录时栅位移传感器测量值α2与自准直仪的测量值β2,以同样步骤,对多面棱体的每一个工作面进行测量与数据记录,可以获得时栅位移传感器测量值与自准直仪测量值两个数据序列,从而计算出全量程范围内传感器的测量误差：

(2)

式中,αi为棱体对准第i工作面时,时栅位移传感器的测量示值;βi为棱体对准第i工作面时,自准直仪的测量示值；δi为棱体第i工作面的误差修正值。

从测量得到的误差序列中找出最大值与最小值之差，即为该传感器的产品测量误差：

e=max(e1,e2,…,eN)-min(e1,e2,…,eN)

(3)

3.2重复性检定

测量重复性是指在相同测量方法、相同观测者、相同测量仪器、相同场所、相同工作条件和短时期内，对同一被测量连续测量所得结果之间的一致程度[8]。在现有工程应用中对圆分度仪器进行重复性检定时，常常采用的方法是对某一点进行多次测量，然后求标准偏差，再用标准偏差乘以置信因子作为被测仪器重复性的检定标准[9]。这也是大多数非角度计量仪器进行重复性检定的一种方法。对时栅角位移传感器进行重复性检定最初也是采用这种方法。但是由于时栅角位移传感器是圆分度计量，需要检定在0～360°测量范围内的重复性,对某一工作点的测量结果进行检定，具有较大的局限性。为了使检定结果更具有代表性,本文提出了采用双观测法作为时栅角位移传感器的重复性检定标准方法。双观察法的测试过程与精度检定过程类似，用相同的测试方法，连续对传感器进行两次精度检定，并计算出两次测量误差序列:e1,e2,…,eN与ε1,ε2,…,εN。由误差序列可计算两次测量值差值的标准差为

(4)

di=ei-εii=1,2,…,N

由标准差的合成方法[10-11]可知

(5)

其中,σe是测量误差序列e1,e2,…,eN的标准差;σε是测量误差序列ε1,ε2,…,εN的标准差。由于两次重复测量属于等精度测量,故有

σe=σε

(6)

将式(6)代入式(5)可得

(7)

则有

(8)

为了消除测量过程中随机误差的影响，采用误差差值作为误差进行处理[12],将式(4)修改为

(9)

结合式(8)与式(9)可得,传感器重复性检定的标准差为

(10)

4　系统软件设计

4.1PMAC运动控制

(1)PID参数整定与系统调试。PMAC运动控制卡采用PID控制算法,具有电流、速度、位置三环控制策略,在使用之前必须进行PID参数整定工作。参数整定采用自动整定与交互整定相结合的方式，先利用系统自动整定功能初步确定PID参数，再利用交互整定功能，逐步细调PID整定参数，观察运动响应曲线，以达到最佳运动性能，整定后的参数与运动响应曲线如图4所示。

(a)参数整定对话框

(b)运动响应曲线图4　PID参数整定

(2)运动控制程序。自动检定系统只有一个回转运动,控制程序采用线性位置控制方式。PMAC控制卡提供了图5所示的两种线性运动控制方式。图5a表示直线梯形加速，系统以恒定的加速度加速到设定的速度，以设定速度运动一段位移，然后以恒定的加速度减速为零;图5b表示S曲线加速,系统以S形加速曲线加速到指定的速度，加速过程平缓，运动系统较为平衡。PMAC 中含有各种运动模型和插补计算模块,通过对PMAC编程可以较为容易地实现上述运动方式。

(a)直线加速度轨迹曲线

(b)S曲线加速度轨迹曲线图5　S曲线与梯形加速对比

综合考虑系统需求与技术特性,选择直线梯形加速运动模型,为了便于采用灵活的运动控制模式,对运动控制采用参数化控制,利用PMAC控制卡中的运动插补指令与运动参数,构建图6所示的直线加速运动模型。

图6　直线梯形加速运动模型

将整个运动控制过程分为直线加速段、匀速运动段与直线减速段。根据运动控制要求，设定运动位移参数s(s=sacc+scon+sdec),直线加速段位移为sacc,运动速度为vcon。由于PMAC运动控制系统的单位为反馈脉冲数，故控制时需要将运动位移参数变换为脉冲数:

Nacc=saccRNd/360°

(11)

式中,sacc为加速段运动位移,(°);R为作为反馈的光栅传感器的栅线数,RON886的栅线数为36 000；Nd为光栅细分盒设定的细分倍数,本系统设定为25。

根据直线匀加速方式,可以计算加、减速段的时间为

tacc=2Nacc/vcon

(12)

根据计算出的运动参数对线性运动模式采用参数化控制，运动控制程序参数配置核心代码如下：

OPEN PROG 1 CLEAR

LINEAR;线性插补模式

INC;增量式运动模式

TA(tacc);设置加速时间

TS(0);设置S段参数为0

F(vcon);设置运动控制速度

X(s);设置运动位移

4.2检定软件系统

检定软件系统采用VC++作为开发工具,利用Delta Tau公司提供的PComm32动态链接库实现对PMAC运动控制卡的参数化控制。时栅传感器与光电自准直仪都通过RS232接口与工控机相连接。自准直仪通信波特率为2400,每秒传送25次测量数据,时栅传感器的通信波特率为57 600,每秒传送400次测量数据。检定软件的工作流程如图7所示。

5　现场测试与实验结果

搭建的时栅位移传感器自动检定系统实验平台如图8所示。

图9所示为自动检定软件工作界面，其中左边的示值为时栅传感器的测量值，右边的示值为光电自准直仪的测量值。

图9　检定软件工作界面

待检TRI 2414型时栅角位移传感器的检定参数如下：精度为±2″，测角重复性应不大于0.8″。采用正24面棱体，每次自动转位15°，在同样的测量条件下对待检时栅角位移传感器进行两次误差检定，其检定结果见表1、表2。

表1　第1周误差检定

表2　第2周误差检定

根据式(3)可以计算出待检时栅角位移传感器的最大误差为

e=1.7″-(-0.5″)=2.2″

则e在±2″范围内，根据式(10)可计算出待检时栅角位移传感器的重复性误差为

σ=0.259″

则σ<0.8″,该待检传感器的检定参数满足设计要求，该传感器符合出厂条件。

6　结束语

本文利用PMAC运动控制平台，研制了时栅角位移传感器的自动检定系统，该系统实现了整个产品质量检定过程全自动化，工作效率高，有效地解决了人工检定时因出现漏记、错记而影响产品质量检定的问题，为时栅位移传感器的增产提供了有力的技术支持。而且该检定系统可将光电自准直仪更换为激光干涉仪用作时栅角位移传感器的误差标定系统，这将是今后研究的重点。

[1]彭东林,刘成康,谭为民,等.时空坐标转换理论与时栅位移传感器研究[J].仪器仪表学报,2000,21(4):340-342.

Peng Donglin,Liu Chengkang,Tan Weimin,et al.Study on the Theory of Time -space Coordinate Transformation and the Time Grating Displacement Sensor[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2000，21(4)：340-342.

[2]彭东林,张兴红,刘小康,等.场式时栅位移传感器研究[J].仪器仪表学报,2003,24(3):321-323.

Peng Donglin,Zhang Xinghong,Liu Xiaokang,et al.Study on the Time Grating Displacement Sensor of the Field Type[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2003,24(4):321-323.

[3]陈自然.基于预测理论的精密角位移动态测量及其实验研究[D].合肥:合肥工业大学,2012.

[4]郑方燕.时栅传感器环节误差分析及检验标准的建立[D].重庆:重庆理工大学,2008.

[5]DELTA TAU.PMAC and PMAC2 Software Reference Manual[EB/OL].[2014-10-15].http://www.deltatau-china.com/htdocs/pages.htm.

[6]国家质量检验检疫总局.角位移传感器校准规范 JJF 1352-2012[S].北京:中国质检出版社,2012.

[7]MOLLER-WEDEL OPTICAL GmbH.ELCOMAT3000双轴电子自准直仪[EB/OL].[2014-10-12].http://www.opticaltest.com/down/3000.pdf.

[8]唐文彦.传感器[M].北京:机械工业出版社,2014.

[9]费业泰.误差理论与数据处理[M].6版.北京：机械工业出版社，2010.

[10]陶靖轩,顾龙芳,宋明顺,等.不等精度测量结果标准差的估计[J].计量学报,2012,33(1):94-96.

Tao Jingxuan,Gu Longfang,Song Mingshun,et al.Estimation of Standard Deviation in Unequal Precision Measurement[J].Acta Metrologica Sinica,2012,33(1): 94-96.

[11]王荣颖,许江宁,卞鸿巍,等.方位旋转式平台惯导系统的误差分析与仿真[J].系统仿真学报,2009,21(15):4786-4789.

Wang Rongying,Xu Jiangning,Bian Hongwei,et al.Error Analysis and Simulation of Azimuth Rotating GINS[J].Journal of System Simulation,2009,21(15):4786-4789.

[12]任顺清,鲁金瑞,赵洪波,等.排列互比法角度偏差检定序列的可辨识性[J].哈尔滨工业大学学报,2013,45(1):41-45.

Ren Shunqing,Lu Jinrui,Zhao Hongbo,et al.Identifiability of Partial Combinational Permutation Intercomparison in Checking Angular Bias[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2013,45(1):41-45.

(编辑陈勇)

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

国家自然科学基金资助项目(51205434，51305478);重庆市教委科学技术研究项目(KJ1400904);重庆市科技计划资助项目(cstc2014jcyjA70003)

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

杨继森,男,1977年生。重庆理工大学时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室副主任、副教授。主要研究方向为计算机辅助测试与智能传感器。张静,女,1981年生。重庆理工大学电子信息与自动化学院讲师。