CN101738498A - 一种高速运动测量仪校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够方便准确地对现有高速运动测量装置进行校准测量的高速运动测量仪校准装置，包括一个上表面为光滑水平面的工作台，其上表面两侧各设有一支承，两支承之间水平设置有一永久磁钢推力杠，永久磁钢推力杠上套设有直线电机动子，直线电机动子下端设置有气浮轴承与工作台上表面形成非接触式支承；还包括一个钢带光栅测量系统，其中，钢带光栅读数头安装于直线电机动子下端面，钢带光栅安装于工作台上表面且位置与钢带光栅读数头相对应；还包括一个微机控制系统，该微机控制系统分别与钢带光栅测量系统和直线电机动子相连，可读取钢带光栅测量系统的测量结果并对直线电机动子的运动进行控制。

Description

一种高速运动测量仪校准装置

技术领域

本发明涉及一种高速运动测量仪校准装置，应用了磁悬浮技术，能够复现高速运动的动态位移、速度、加速度等动态量值，可实现高速运动测量分析仪的动态校准。

背景技术

在军工领域，对轻武器、小口径火炮等武器装备后坐运动、自动机后坐运动参量的测量，均使用高速运动测量仪、激光测速仪、高速摄影仪等进行测量后坐参量，如位移、速度、加速度等。由于缺乏相应的高速运动校准装置复现动态量，多数测量设备长期处于无法校准的状态，目前仅限于振动计量标准复现0.5m/s以下的低速度和加速度参量，而动态位移、后座参量大多只能间接校准，无法保证后坐参量量值的测量范围和准确溯源。

目前，现有的测量机运动速度都较慢，一般运动机构的速度都远远小于1m/s。最快的高速加工机床，如美国Cincinnati公司生产的HyperMach 5轴加工中心，最大进给速度60～100m/min，即1～1.66m/s。最新报道的一种用于微电子封装的新型高速精密定位机构，由直线电机直接驱动平行四边形支链的并联杆机构来实现定位平台运动，其最大速度只有0.8m/s。高速位移传感器的选择，也是一个需要考虑的问题。位移测量常用的双频激光干涉仪，由于受其工作原理限制，基于塞曼效应分裂的频差为3.5MHz左右，当测量速度较高时，就会出现频率混叠现象而不能正常测量，所以一般测量速度小于1m/s。激光多普勒测速仪也无法进行高速测量，如丹麦OMETRON 8239型激光多普勒测速仪，最大测量速度0.425m/s，测量分辨率1mm。

综上所述，现有的高速运动测量装置存在运动速度过慢或缺乏相应的校准装置复现动态量，而使多数测量设备长期处于无法校准的状态。所以，如何研制一种校准装置来对高速运动测量仪、激光测速仪、高速摄影仪等仪器进行校准，以降低其测量误差，就成为本领域技术人员的努力方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，为了克服上述现有技术的不足，而提供一种能够方便准确地对现有高速运动测量装置进行校准测量的高速运动测量仪校准装置。

为了解决上述技术问题，本发明中采用了如下的技术方案：

一种高速运动测量仪校准装置，其特点在于，包括一个上表面为光滑水平面的工作台，工作台上表面两侧各设置有一个支承，两支承之间水平设置有一永久磁钢推力杠，永久磁钢推力杠上采用磁悬浮的方式匹配地套设有一个直线电机动子，直线电机动子下端设置有气浮轴承与工作台上表面形成非接触式支承；还包括一个钢带光栅测量系统，其中，钢带光栅读数头向下安装于直线电机动子下端面侧边上，钢带光栅顺直线电机动子运动方向安装于工作台上表面且位置与钢带光栅读数头相对应；还包括一个微机控制系统，该微机控制系统分别与钢带光栅测量系统和直线电机动子相连，可读取钢带光栅测量系统的测量结果并对直线电机动子的运动进行控制。所述微机控制系统应视为可采用现有技术得到并可用常规控制方法实现控制。

本发明使用时，先控制直线电机动子做高速运动，同时用待校准的高速运动测量仪对直线电机运动数据进行测量，在直线电机动子做高速运动过程中，微机控制系统同时控制钢带光栅测量系统对直线电机运动数据进行精确测量，将待校准的高速运动测量仪的测量结果与微机控制系统的精确测量结果进行比较，从而可判断待校准的高速运动测量仪的测量结果是否准确，进而可对其进行校准。

作为进一步改进，所述工作台上表面为天然花岗岩光滑平面，采用天然花岗岩制得的表面可以较好地保证光滑度，进而可保证直线电机的运动不受影响。

作为又一种改进，所述支承上部为固定轴套结构的弹性夹头，该弹性夹头与永久磁钢推力杠套接为一体；所述支承上还设置有一限位开关，所述直线电机动子的两端设置有匹配的限位挡块，其中限位开关具有一个向上的弧形面，限位挡块具有一个弹性斜面，并使得当直线电子动子处于两端极限位置时，所述弧形面能与所述弹性斜面直接接触以产生一个带缓冲的阻挡作用。这样，若系统故障发生失控时，限位装置可使直线电机紧急刹车，避免电机损坏。

作为再一步改进，所述气浮轴承下表具有一个水平设置的气垫面，该气垫面上均布有三个向下的节流小孔，气垫面内部具有一个与节流小孔相通的环形气腔，所述气浮轴承上表具有一个与环形气腔连通的气管，气管可通过软管与供气系统相连。同时所述气浮轴承可以设置为三个，呈三角形分布于直线电机下方。这样设置后所述气浮轴承具有受力均匀的优点，可以与花岗岩工作台导向面形成大约有10μm的气膜，令被支撑的直线电机动子成为气浮状态，使其能在花岗岩工作台导向面上无摩擦地悬浮运动，运动时阻尼几乎为零，这样就可大大提高直线电机的运动速度。同时设置三个气浮轴承则能限制直线电机绕永久磁钢推力杠左右旋转摆动，令直线电机运行稳定。

作为更进一步的改进，所述的直线电机动子上方设置有一向上凸起的小物件，该小物件上与两端支承相对的任一侧设置有一激光反射条。这样可以将待检测校准的激光测速仪放置于两端支承中与激光反射条相对的一端，可方便对激光测速仪进行检测校准。

在本发明中，所述微机控制系统可以做如下优化，使其具有一个与直线电机相连的高速直线驱动系统，用于驱动直线电机运动；还具有一个与钢带光栅测量系统和直线电机相连的闭环控制系统，其具有位置环、速度环、电流环三环矢量控制能力，其中速度环的输出为电流环的给定信号，位置环的输出为速度环的给定信号，用于实现直线电机的实际位置测量和反馈控制；还具有一个与钢带光栅测量系统相连的高速数据采集系统，其采用铷原子钟作为标准时钟信号，用铷原子钟的标准时钟作为精密时间间隔发生器的输入时钟信号，产生位移测量的精确同步采样信号。

相比于现有技术，本发明的高速运动测量仪校准装置，能够按照预先设定的运动曲线实现电机的高速运动(最大速度8m/s)，而且速度、位移可控制，同时能在精确的时间基准下对高速运动的电机位移值进行测量，由此计算出速度、加速度等参数，能够准确的对现有高速运动测量装置进行校准。同时整体结构设计合理，能方便、有效地对高速运动测量装置进行校准测量。

附图说明

图1是本发明结构示意图，本发明的微机控制系统由于是外接的控制设备，故在本图中省略。

图2是图1的左视图。

图3是图1中本发明单独直线电机与其左侧的支承部分结构放大后的结构示意图。

其中，1为限位开关，2为弹性夹头，3为永久磁钢推力杠，4为直线电机动子，5为气浮轴承，6为CCD位移测量传感器测量装置，7为小物件，8为工作台，9为接线盒，10为磁线圈，11为限位挡块，12为气管，13为钢带光栅读数头，14为钢带光栅，15为支承。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图3所示，一种高速运动测量仪校准装置，包括一个上表面为光滑水平面的工作台8，工作台8上表面两侧各设置有一个支承15，两支承15之间水平设置有一永久磁钢推力杠3，永久磁钢推力杠3上采用磁悬浮的方式匹配地套设有一个直线电机动子4，直线电机动子4下端设置有气浮轴承5与工作台8上表面形成非接触式支承；还包括一个钢带光栅测量系统，其中，钢带光栅读数头13向下安装于直线电机动子4下端面侧边上，钢带光栅14顺直线电机动子4运动方向安装于工作台8上表面且位置与钢带光栅读数头13相对应；还包括一个微机控制系统，该微机控制系统分别与钢带光栅测量系统和直线电机动子相连，可读取钢带光栅测量系统的测量结果并对直线电机动子的运动进行控制。

其具体实施时，工作台8上半部采用天然花岗岩的工作台表面，作为气浮轴承5的精密导向面，下半部为一般工作柜，底部安装有四个滚轮。上半部底部有4个镶嵌套(M10)与下半部连结为一体，上半部的表面中心线两侧均设置有两层镶嵌套，工作台面左侧4个镶嵌套(M8)与磁悬浮运动装置运动导轨左支承固定，工作台面右侧设置有3排镶嵌套(M8)，里边1排4个镶嵌套(M8)与磁悬浮运动装置运动导轨右支承固定，工作台面右侧外边两排的4个镶嵌套(M6)与激光CCD测量系统的支承固定。工作台面中心线外侧两排各6个镶嵌套，作为电气件安装备用孔。

如图1所示，在工作台表面的左右两边各固定一个导轨支承15，导轨支承15与工作台8表面的镶嵌套(M8)固定，支承15上部为固定轴套结构的弹性夹头2，弹性夹头2与直线电机的导轨套接为一体；直线电机的导轨为圆形永久磁钢推力杆3，直线电机动子4中间为圆孔形，内部四周环绕着磁线圈10，动子外部为一接线盒9，接线盒9内部连接着直线电机的控制线路。直线电机动子4穿在永久磁钢推力杆3上，在磁场磁力作用下，动子4重力被磁力平衡，动子4与永久磁钢推力杆3之间存在微小间隙，运动时始终处于磁悬浮状态，确保在高速运动状态下阻尼为零。所述支承15上还设置有一限位开关1，所述直线电机动子4的两端设置有匹配的限位挡块11，其中限位开关1具有一个向上的弧形面，限位挡块11具有一个弹性斜面，并使得当直线电子动子4处于两端极限位置时，所述弧形面能与所述弹性斜面直接接触以产生一个带缓冲的阻挡作用。这样可使电机紧急刹车，避免电机损坏。

直线电机动子4下表均布地装有三个相同的气浮轴承5，气浮轴承5下表具有一个水平设置的气垫面，该气垫面上均布有三个向下的节流小孔，气垫面内部具有一个与节流小孔相通的环形气腔，所述气浮轴承上表具有一个与环形气腔连通的气管12，气管12可通过软管与供气系统相连。采用软管可不影响直线电机动子4的运动。节流小孔喷嘴采用人造红宝石制造，节流小孔直径0.2mm。可令气浮轴承5下表与花岗岩工作台8上表面形成大约有10μm的气膜，令被支撑的直线电机动子4成为气浮状态，使其能在花岗岩工作台导向面上无摩擦地悬浮运动，同时设置三个气浮轴承5则能限制直线电机动子4绕永久磁钢推力杠3左右旋转摆动，令直线电机运行稳定。

具体实施时，直线电机选用Copley TBX2504型直线电机，最高速度可达14m/s，峰值加速度可达589m/s2，可以满足本项目的技术指标要求。为获得高的运动速度，选用无接头无芯的设计，为简化机械的整合度，负载直接安装在动子上。直线电机采用磁悬浮方式直接进行直线驱动，取消了从电机到直线运动工作台之间的所有中间传动环节，把传动链的长度缩短为零，具有无中间转换机构，无机械磨损、高增益、高加速度、运动速度快、响应快、控制性能好、运动平稳、系统噪声小、使用寿命长等优点。

具体实施时，测量系统为钢带光栅的测量系统，钢带光栅的读数头13安装在直线电机的动子4上，直线电机动子4移动时，动子上安装的钢带光栅读数头13随着同步移动，形成移动轨迹，在工作台台面对应的钢带光栅读数头13的移动轨迹上贴着一条钢带光栅14，通过对钢带光栅14的反射信号进行测量采集处理，可准确测量动子4移动的动态位移、速度、加速度等参量动态量值。在动子4上部设置有一安装平台，可安装一小物体7，可贴反射光靶或激光反射条，在工作台面右端安装有激光CCD位移传感器测量装置，激光正对准动子上部安装的小物体7，可测量该物体7的移动的动态位移、速度、加速度等参量动态量值。

所述微机控制系统中，具有一个与直线电机相连的高速直线驱动系统，用于驱动直线电机运动；还具有一个与钢带光栅测量系统和直线电机相连的闭环控制系统，其具有位置环、速度环、电流环三环矢量控制能力，其中速度环的输出为电流环的给定信号，位置环的输出为速度环的给定信号，用于实现直线电机的实际位置测量和反馈控制；还具有一个与钢带光栅测量系统相连的高速数据采集系统，其采用铷原子钟作为标准时钟信号，用铷原子钟的标准时钟作为精密时间间隔发生器的输入时钟信号，产生位移测量的精确同步采样信号。当然具体实施时，所述微机控制系统也可以是采用控制领域技术人员公知的其他普通控制线路结构，只需其具备可读取钢带光栅测量系统的测量结果并可对直线电机动子的运动进行控制的功能即可。

具体实施时，所述的闭环控制系统采用PCI总线的可编程多轴控制器PMAC(Programmable Multi-Axis Controller)，控制器采用Motorola的DSP 56002系列数字信号处理器，具有位置环、速度环、电流环三环矢量控制能力，即对位置环、速度环和电流环分别进行控制，其中速度环的输出为电流环的给定信号，位置环的输出为速度环的给定信号。计算机软件通过设定运动参量参数，如给定位移、速度、加速度等运动函数，通过软件自动计算并转换成直线电机运动的参数，控制直线电机产生所需的各种运动，通常有标准的正弦波运动、三角波运动等。闭环控制系统的位置测量及反馈部件选用英国RENISHAW公司的栅距为20μm的钢带光栅传感器，通过PMAC卡内的4倍频电路，脉冲当量为5μm，用于实现直线电机的实际位置测量和反馈控制，构成闭环控制系统。

所述的铷原子钟以及精密时间间隔发生器同步控制的高速数据采集系统，采用铷原子钟作为标准时钟信号。用铷原子钟的标准时钟作为精密时间间隔发生器的输入时钟信号，产生位移测量的精确同步采样信号，可获得比采用计算机时钟准确得多的时间量，可减少速度、加速度的测量误差。设计了以FPGA(Filed Programmable Gate Array)为核心的高速位移测量数据采集及同步控制系统，采用上下位机的数据采集和传输方式。位移测量数据采集由采用铷原子钟作为时钟的精密时间间隔发生器发出的脉冲控制，由FPGA控制器以及SRAM存储器组成的下位机进行高速数据采集。数据采集完成后再由USB接口传给PC机进行数据处理和显示。避免Windows系统的多任务性能造成采样时间的不确定性，而带来的位移测量误差。FPGA硬件控制数据读取和储存，不需要软件干预，所以可以达到很高的数据采集速率，采样速率最高可达到0.01ms，可满足高速运动时的实时测量。

下面采用两个具体的校准实例对本发明的功能和作用做进一步说明。

对高速摄影仪、PSD激光测速仪等测量设备校准的具体过程事例如下：

校准事例1、高速摄影仪的校准：将高速摄影仪正对磁悬浮高速运动测量机1m处，高度与磁悬浮运动装置相同，确定图像焦距，用金属刻线尺先将高速摄影仪在该焦距下的图像像距校准，计算机软件设定磁悬浮运动测量机运动为正弦位移运动类型，设定运动时间、快慢次数、最大位移、速度等参数，启动运动装置运动，高速摄影仪将磁悬浮高速运动装置的运动图像摄下，通过高速摄影仪的图像测量软件，测出动态位移、速度、加速度曲线；同时磁悬浮高速运动测量机的钢带光栅测量系统将实时的位移运动测量曲线纪录下来，两者进行比较，可得到相应时间点的动态位移、速度、加速度曲线误差，有效地解决了高速摄影仪的校准问题。

校准事例2、PSD激光测速仪的校准：将PSD激光测速仪正对磁悬浮高速运动测量机1m处，高度与磁悬浮运动装置相同。将激光反射条贴在磁悬浮高速运动装置上部安装的小物体上，调整PSD激光测速仪激光点位置在小物体反射条中间。计算机软件设定磁悬浮运动测量机运动为正弦位移运动类型，设定运动时间、快慢次数、最大位移、速度等参数，启动运动装置运动，PSD激光测速仪将磁悬浮高速运动装置的运动过程记录下，通过PSD激光测速仪的测量软件，测出动态位移、速度、加速度曲线；同时磁悬浮高速运动测量机的钢带光栅测量系统将实时的位移运动测量曲线纪录下来，两者进行比较，可得到相应时间点的动态位移、速度、加速度曲线误差，有效地解决了高速摄影仪的校准问题。

Claims (6)

1.一种高速运动测量仪校准装置，其特征在于，包括一个上表面为光滑水平面的工作台，工作台上表面两侧各设置有一个支承，两支承之间水平设置有一永久磁钢推力杠，永久磁钢推力杠上采用磁悬浮的方式匹配地套设有一个直线电机动子，直线电机动子下端设置有气浮轴承与工作台上表面形成非接触式支承；还包括一个钢带光栅测量系统，其中，钢带光栅读数头向下安装于直线电机动子下端面侧边上，钢带光栅顺直线电机动子运动方向安装于工作台上表面且位置与钢带光栅读数头相对应；还包括一个微机控制系统，该微机控制系统分别与钢带光栅测量系统和直线电机动子相连，可读取钢带光栅测量系统的测量结果并对直线电机动子的运动进行控制。

2.如权利要求1所述的高速运动测量仪校准装置，其特征在于所述工作台上表面为天然花岗岩光滑平面。

3.如权利要求1所述的高速运动测量仪校准装置，其特征在于所述支承上部为固定轴套结构的弹性夹头，该弹性夹头与永久磁钢推力杠套接为一体；所述支承上还设置有一限位开关，所述直线电机动子的两端设置有匹配的限位挡块，其中限位开关具有一个向上的弧形面，限位挡块具有一个弹性斜面，并使得当直线电子动子处于两端极限位置时，所述弧形面能与所述弹性斜面直接接触以产生一个缓冲阻挡作用。

4.如权利要求1所述的高速运动测量仪校准装置，其特征在于所述气浮轴承下表具有一个水平设置的气垫面，该气垫面上均布有三个向下的节流小孔，气垫面内部具有一个与节流小孔相通的环形气腔，所述气浮轴承上表具有一个与环形气腔连通的气管，气管可通过软管与供气系统相连；同时所述气浮轴承可以是设置为呈三角形分布的三个。

5.如权利要求1至4中任一项所述的高速运动测量仪校准装置，其特征在于所述的直线电机动子上方设置有一向上凸起的小物件，该小物件上与两端支承相对的任一侧设置有一激光反射条。

6.如权利要求1至4中任一项所述的高速运动测量仪校准装置，其特征在于所述微机控制系统中，具有一个与直线电机相连的高速直线驱动系统，用于驱动直线电机运动；还具有一个与钢带光栅测量系统和直线电机相连的闭环控制系统，其具有位置环、速度环、电流环三环矢量控制能力，其中速度环的输出为电流环的给定信号，位置环的输出为速度环的给定信号，用于实现直线电机的实际位置测量和反馈控制；还具有一个与钢带光栅测量系统相连的高速数据采集系统，其采用铷原子钟作为标准时钟信号，用铷原子钟的标准时钟作为精密时间间隔发生器的输入时钟信号，产生位移测量的精确同步采样信号。

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