CN101050970A - 动态测量精度损失实验系统 - Google Patents

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Abstract

动态测量精度损失实验系统,其特征是在由单片机控制的步进电机输出轴上,设置偏心轮、沿偏心轮的径向设置的测杆,测杆以其一端依靠弹性预紧力抵靠在偏心轮的外圆周面上,被测表中用于测定测杆位移量的位移测头设置在测杆的另一端,在测杆上设置动光栅,对应设置的是处在与测杆平行的位置上的定光栅,由定光栅和对应设置的动光栅构成测定测杆位移量的光栅测量系统。本发明用于实现对动态测量系统在长期使用过程中的精度损失规律的研究,其在设计上很好地考虑了系统各单元的误差分离即精度损失分离。

Description

动态测量精度损失实验系统
技术领域
本发明涉及实验系统,更具体地说是一种动态测量精度损失实验系统。
背景技术
动态测量系统,尤其是带有机械结构的动态测量系统在实际使用过程中,即使不考虑环境因素的影响,随着时间的推移,系统的精度也会有所损失,致使其测量精度不可避免逐渐下降。现代高科技的发展对测量尤其是动态测量提出了更高的要求,如何提高动态测量的精度一直以来是工程测量与仪器设计人员关注的问题。因此掌握动态测量系统的精度损失规律,则可以采取有效的措施来提高测量结果的精度及其测量的可靠性。
一个实际的测量系统在其整个使用寿命周期内,由于受到外界条件的影响和内部结构的不断变化,其动态测量精度随时间不断损失,是一个相对漫长的过程。如何在短期内实现对测量系统精度损失规律的研究,需要设计一套可以加速精度损失的实验装置,该实验装置要具有动态性,要符合实际工况要求,参考的标准量不会随时间推移而损失。但迄今为止,还没有符合这一要求的实验系统。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处,提供一种动态测量精损失实验系统,用于实现对动态测量系统在长期使用过程中的精度损失规律的研究。
本发明解决技术问题采用如下技术方案:本发明的结构特点是在由单片机控制的步进电机的输出轴上,设置偏心轮、沿偏心轮的径向设置的测杆,测杆以其一端依靠弹性预紧力抵靠在偏心轮的外圆周面上,被测表中用于测定测杆位移量的位移测头设置在测杆的另一端,在测杆上设置动光栅,对应设置的是处在与测杆平行的位置上的定光栅,由定光栅和动光栅构成测定测杆的位移量的光栅测量系统。
由单片机控制步进电机带动偏心轮旋转,偏心轮推动测杆往复移动,同时带动处在测杆另一端的位移测头产生位移,并在其被测表中显示位移量;与此同时,随着测杆的往复移动,由光栅测量系统对测杆的实际位移进行同步测量。
该实验系统在长期工作后偏心轮和测杆都会有磨损,步进电机也存在一定的步进误差,光栅测量系统显示的读数变化可以很好地反映偏心轮和测杆因为磨损以及步进电机的步进误差而产生的精度损失。由于动光栅是安装在测杆上,并随着测杆产生移动,显然光栅测量系统的实际输出即为被测表的实际输入。因此,在长期的实验过程中,光栅测量系统和被测表两者之间的读数差异可以获得被测表在长期使用后的精度损失。被测表的实际输出量值变化反映了该实验系统的总精度变化。显然,与已有技术相比,本发明的有益效果体现在:本发明在设计上很好考虑了系统各结构单元的误差分离即精度损失分离。
附图说明
图1为本发明测量系统结构示意图。
图2为本发明系统框图。
图3为本发明系统控制主程序流程图。
图4为系统实验100组精度损失分布图。
图5(a)为第一阶段的精度损失拟合曲线图。
图5(b)为第二阶段的精度损失拟合曲线图。
图6为三次多项式拟合曲线。
图中标号:1步进电机、2偏心轮、3紧固螺母、4轴座、5测杆、6大头螺栓、7压簧、8弹簧挡块、9测头、10定光栅、11动光栅。
以下通过具体实施方式,并结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
参见图1、图2,在由单片机控制的步进电机1的输出轴上,设置偏心轮2、沿偏心轮2的径向设置的测杆5,测杆5以其一端依靠弹性预紧力抵靠在偏心轮2的外圆周面上,被测表中用于测定测杆5的位移量的位移测头9设置在测杆5的另一端,在测杆5上设置动光栅11,对应设置的是处在与测杆5平行的位置上的定光栅10,定光栅10固定设置在底座9上,由定光栅10和动光栅11构成测定测杆5的位移量的光栅测量系统。
具体实施中,可以根据测试要求的不同选用不同偏心量的偏心轮。为了防止偏心轮2产生轴向窜动,偏心轮2一端是阶梯轴的台阶,另一端是紧固螺母3固定,偏心轮2上设计花键,这样可以有效防止偏心轮的轴向窜动。测杆5跟偏心轮2的外圆周面相接触的一端设计成圆头,两者之间是点接触。由于动光栅11固定在测杆5上,必须保证测杆5在移动过程中的直线度,除Y向的自由度外其它自由度都需要限制,这一目标是通过装在轴座4上的花键以及轴座4的配合来实现的,这样的结构很好地限制了测杆5除轴向运动以外的其它方向的自由度。测杆5的另一端开有螺纹孔,螺纹孔中拧入大头螺栓6,大头螺栓6的一端是螺纹,另外一端为螺柱,压簧7直接套装在螺柱上,下端设置弹簧挡块8,以螺柱起导向和支撑的作用。压簧7很好地保证了测杆5与偏心轮2在实验过程中保持接触。
本实施例中,光栅测量系统采用精度为1u,行程为50mm的长光栅。
采用89C51单片机来控制步进电机,根据实际测量需要运行所需的行程,可以实现单步、连续运行两种模式。
系统的软件的设置本系统的主要功能是对被测对象及实验系统的精度损失进行研究,因此软件包括以下几个部分:键盘扫描及LED显示子程序、两次测量阶段之间表的工作次数及每次测量时的步进脉冲数(即单次行程)子程序、电机启停子程序等。系统主程序流程图如图3所示。
实验验证为了对本实验系统进行精度损失研究,采用上海量仪厂生产的0~10mm的百分表作为研究对象。设计的实验方案是:对系统和百分表在使用有效期内的不同阶段分别进行测量。当系统达到稳定工作时,系统每运行一段时间,即工作一定的次数后测量一组实验数据,根据同一测量阶段内的若干次测量结果来确定每个阶段的精度。假定完成一次全量程进程和一次退程,称为百分表工作了一个周期,在每工作了1000个周期以后,进行一组比对测量,在全量程0-10mm范围内,每隔0.1mm测量一个数据点,在同一测量阶段内每组测量均重复五次,取其误差平均值,同时将每组100个测量点的误差再求平均可得该组的实际精度损失。本实验共进行了100组测量。所得100组测量的精度损失做出其曲线见图4所示。从图中可以看出,随着测量次数的增多,系统的测量精度损失也相应地增大。前面79组测量数据的精度损失呈现一定规律,其中前62组数据反映了测量系统处于稳定的精度损失阶段,63到79组数据反映了测量系统处于急剧的精度损失阶段,80组以后的测量结果呈现无规律状态,说明系统的精度已经无法保证,系统已经不能用于测量了。分别对前面两个阶段的数据在MATLAB中采用最小二乘拟合可得其拟合曲线,如图5(a)和图5(b)所示。
第一个阶段精度损失的表达式如下:y=-4.0011×10-9x3+1.8442×10-6x2+2.09954×10-5x+0.0018563第二个阶段精度损失的表达式如下:y=1.161×10-7x3-5.03922×10-6x2-6.7376×10-5x+0.0096425根据百分表和光栅测量系统测量结果的比对可以获得百分表的精度损失值,其精度损失值及其三次多项式拟合曲线见图6所示(这里考虑的是前79组有效数据)。反映百分表精度损失规律的三次多项式如下:y=1.4012×10-9x3+1.7251×10-6x2-2.7236×10-5x+0.0011906由图6可知百分表在最初25组测量过程中的精度损失不大,比较图6和图4可知系统最初阶段的精度损失主要来源于偏心轮的磨损。第78、79组数据的精度损失已经达到了0.010mm,说明百分表已经达到了使用寿命,无法保证测量的精度了。
该实验结果表明,利用本发明系统是可以实现对动态测量系统以及被测对象(实验中采用的是百分表)的精度损失进行研究的。根据长期的实验结果可以为系统的误差修正提供实验数据和理论依据,可以实时有效的提高动态测量系统的测量精度。同时能够对动态测量系统在长期使用过程中的精度损失情况加以监控。设计研究该系统的目的就是为了验证研究动态测量系统的精度损失的可行性。从实验结果来看,从研究动态测量系统的精度损失角度来提高动态测量系统的精度是一种可以考虑的方案。利用谱分析以及小波分析的方法可以把总的精度损失分解到系统的各结构单元,可以进一步研究被测对象(百分表)内部各结构的精度损失规律为系统的优化设计提供理论依据。

Claims (1)

1.动态测量精度损失实验系统,其特征是,在由单片机控制的步进电机(1)的输出轴上,设置偏心轮(2)、沿偏心轮(2)的径向设置的测杆(5),测杆(5)以其一端依靠弹性预紧力抵靠在偏心轮(2)的外圆周面上,被测表中用于测定测杆(5)的位移量的位移测头(9)设置在测杆(5)的另一端,在测杆(5)上设置动光栅(11),对应设置的是处在与测杆(5)平行的位置上的定光栅(10),由定光栅(10)和动光栅(11)构成测定测杆(5)的位移量的光栅测量系统。
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