CN102323057B - 一种多轴同步误差检测装置与检测方法 - Google Patents

Abstract

一种多轴同步误差检测装置与方法，该装置主要包括第一和第二角位移测量装置、角位移和线位移测量装置、数据同步采集控制装置和计算机分析处理装置。其中角位移测量装置分别包括一角位移传感器，线位移测量装置包括一线位移传感器，数据采集同步控制装置包括一硬件细分计数卡和一采样同步控制器。检测方法是：计算机根据检测要求设定工作方式、采样频率等参数，同步采集各传感器的实时数据，并做相应的预处理；计算机实现任意两轴的实时传动比和同步误差波形显示，并完成对误差数据的时域分析、频域分析、时频分析等工作。本装置和方法适用于机床、雷达、天文台等精密设备，运用范围广、检测速度快、可靠性好、精度高、操作简便。

Description

一种多轴同步误差检测装置与检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测装置，具体涉及一种用于检测多轴同步误差的装置；本发明还涉及利用这种装置检测多轴同步误差的方法。 

背景技术

目前常用的同步误差检测装置与方法主要是针对两轴的，如将两个码盘分别安装在被测对象的不同输出轴上，回零后同步采集两传感器的角位移数据，再根据两轴的转数比关系得到其同步误差曲线。这种测量方式很难实现三轴或三轴以上的多轴同步误差检测，而对于旋转轴与直线轴混合的多轴同步误差检测领域更是无能为力。为了提高检测的分辨率和精度，现有的检测设备和方法大都采用高精度高分辨率的传感器、软件细分倍频技术以及提高安装精度等措施。但高昂的硬件成本、最大四倍频的细分局限、软件细分误差所带来的精度损失以及安装使用的不便都很难使其大规模的推广运用，且现有检测设备的检测手段、效率、运用范围也有限，如激光干涉仪只能静态检测，检测周期长，其适用范围也局限在低速领域。

发明内容

针对目前多轴同步误差检测中测量精度、分辨率低、检测手段单一、成本高、效率低、安装使用不便、难以实现旋转轴与直线轴混合的多轴同步误差的问题，本发明目的在于提供一种运用范围广、检测速度快、可靠性好、精度高、操作简便、可实现动态测量和静态测量两种测量方式的多轴同步误差检测装置和检测方法

本发明的目的是这样实现的：一种多轴同步误差检测装置，检测装置包括第一角位移测量装置、第二角位移测量装置和线位移测量装置，第一角位移测量装置、第二角位移测量装置和线位移测量装置与数据同步采集控制装置连接，数据同步采集控制装置与计算机分析处理装置连接。

第一角位移测量装置上的第一旋转轴上安装有第一旋转轴角位移传感器，第一支撑套与第一旋转轴角位移传感器外圈相连，第一压盖与第一旋转轴角位移传感器内圈相连，第一联轴器通过第一连接螺栓与第一旋转轴相连，第一联轴器上端与第一轴承内圈相连，第一轴承外圈与第一支撑套内圈相连，第一连接螺钉连接第一旋转轴角位移传感器内圈和第一联轴器上端，第一支撑套通过第一双头螺杆与固定支座连接。

第二角位移测量装置上的第二旋转轴上安装有第二旋转轴角位移传感器，第二旋转轴通过第二压紧螺母与第二旋转轴的接轴套固连，第二旋转轴的第二支撑套和与接轴套之间通过第二轴承连接，第二轴承内圈用压紧垫圈和螺钉紧固，第二旋转轴角位移传感器外圈与第二旋转轴的第二支撑套用螺钉固连，第二旋转轴角位移传感器内圈与第二旋转轴的第二压盖相连，并用螺钉紧固，第二压盖通过第二旋转轴连接螺钉与第二旋转轴接轴套固连，第二旋转轴的第二支撑套外开有螺纹孔，第二双头螺杆同过锁紧螺母将第二旋转轴和第二支撑套以及固定钣金件固连，固定钣金件固接于机身上。

线位移测量装置的直线光栅尺安装于导轨的下方，与导轨固连，读数头通过安装支架与机身固连。

数据同步采集控制装置由硬件细分计数卡和采样同步控制器组成。

第一角位移测量装置和第二角位移测量装置上还设有同轴度检测装置；线位移测量装置上还设直线度检测装置。

第一旋转轴角位移传感器外圈和第二旋转轴角位移传感器外圈既可单独固定，也可一起固定。

一种多轴同步误差检测方法，

（a）计算机根据检测要求设定静态检测或动态检测工作方式，采样频率等参数，同步采集各传感器的实时数据，并做相应的预处理；

（b）计算机实现任意两轴的实时传动比和同步误差波形显示，并完成对误差数据的时域分析、频域分析、时频分析等工作。

第（a）步骤中所述的静态检测是按如下方法实现的：系统依据旋转轴与旋转轴、旋转轴与直线轴的速比关系确定各轴的单步行走位移，计算机设置相应的参数并调用程序采集各轴的位移数据，系统单步执行，计算机对采集的实时数据进行分析处理，得到各特征点的同步误差。

第（a）步骤中所述的动态检测是按如下方法实现的：系统依据旋转轴与旋转轴、旋转轴与直线轴的速比关系确定各轴的运行速度，系统连续运行，计算机设置相应的参数并调用程序采集各轴的实时位移数据，通过算法分析即可得到任意两轴的实时传动比和同步误差曲线，并可实时输出各测量轴的速度、加速度波形以及对误差数据进行时域分析、频域分析和时频分析等后续处理。

第（a）步骤中所述的同步采集是按如下方法实现的：每个硬件细分计数卡都设有一个外部信号输入端用于同步采样控制，当采样开始时，计算机向采样同步控制器发出指令使其按照设定的频率输出同步采样控制信号，控制器每输出一个信号，计数卡完成一次计数值输出。

本发明提供的一种多轴同步误差检测装置与检测方法，具有以下有益效果：

1、检测分辨率及精度高。角位移分辨率可达0.1角秒，精度2个角秒；线位移分辨率可达0.1微米，精度2个微米；

2、检测速度快。在动态检测方式下，完成任意两轴实时传动比输出、同步误差波形显示以及报表输出仅需2分钟；

3、运用范围广。从几赫兹到上万赫兹的可调采样频率适用于极低速到高速以及任意传动比的检测场合；独有的采样同步控制器可实现任意组合的多轴同步误差检测；

4、检测手段多样。既可以静态测量，也可以动态测量；

5、安装简单，使用方便。独特的工装设计简化了传感器与轴的连接，配套的安装误差检测设备降低了初次安装的精度要求；

6、检测结果丰富。在动态测量方式下，可得任意两轴的实时传动比和同步误差曲线，并可实时输出各测量轴的速度、加速度波形以及对误差数据进行时域分析、频域分析和时频分析等后续处理。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为第一角位移测量装置结构示意图。

图2为第二角位移测量装置结构示意图。

图3为线位移测量装置结构示意图。

图4 多轴同步误差检测装置硬件框图。

具体实施方式

本发明提供的一种多轴同步误差检测装置，包括第一角位移测量装置、第二角位移测量装置和线位移测量装置，第一角位移测量装置、第二角位移测量装置和线位移测量装置与数据同步采集控制装置连接，数据同步采集控制装置与计算机分析处理装置连接。

第一角位移测量装置完成第一旋转轴1的角位移测量；第二角位移测量装置完成第二旋转轴的角位移测量；线位移测量装置完成直线轴的线位移测量；硬件细分计数卡完成各传感器输出信号的采集和细分计数，采样同步控制器保证各传感器输出数据的同步采样和输出；计算机分析处理部分完成任意两轴的实时传动比和同步误差波形显示，并对误差数据做时域分析、频域分析和时频分析等后续处理。

其中，第一角位移测量装置主要由第一旋转轴角位移传感器7、第一旋转轴联轴器3、第一支撑套5、第一压盖8、第一双头螺杆10和固定支座11等组成；

第一角位移测量装置上的第一旋转轴1上安装有第一旋转轴角位移传感器7，第一支撑套5与第一旋转轴角位移传感器7外圈相连，第一压盖8与第一旋转轴角位移传感器7内圈相连，第一联轴器3通过第一连接螺栓2与第一旋转轴1相连，第一联轴器3上端与第一轴承4内圈相连，第一轴承4外圈与第一支撑套5内圈相连，第一连接螺钉9连接第一旋转轴角位移传感器7内圈和第一联轴器3上端，第一支撑套5通过第一双头螺杆10与固定支座11连接。

在测量过程中，第一联轴器3、第一压盖8和第一旋转轴角位移传感器7内圈随第一旋转轴同步转动；第一旋转轴的第一支撑套5和第一旋转轴角位移传感器7外圈通过双头螺杆10与固定钣金件11固连，保持静止。

为了保证测量精度，减小因安装带来的误差，角位移测量部分配备有同轴度检测设备，测试开始前，先对第一旋转轴的第一联轴器3的轴端进行校准，当同轴度达到测试系统相应的误差要求后，在安装角位移传感器，最后再测量。

为了保证第一联轴器3轴端同轴度检测的有效开展，第一联轴器3轴端在车削完后要进行磨削和抛光处理。

第二角位移测量装置主要由第二旋转轴角位移传感器18、接轴套14、第二压紧螺母13、第二支撑套16、固定钣金件22和第二压盖20等组成；

第二角位移测量装置上的第二旋转轴12上安装有第二旋转轴角位移传感器18，第二旋转轴12通过第二压紧螺母13与第二旋转轴12的接轴套14固连，第二旋转轴12的第二支撑套16和与接轴套14之间通过第二轴承15连接，第二轴承15内圈用压紧垫圈17和螺钉紧固，第二旋转轴角位移传感器18外圈与第二旋转轴12的第二支撑套16用螺钉固连，第二旋转轴角位移传感器18内圈与第二旋转轴12的第二压盖19相连，并用螺钉紧固，第二压盖19通过第二旋转轴连接螺钉20与第二旋转轴12接轴套14固连，第二旋转轴12的第二支撑套16外开有螺纹孔，第二双头螺杆21同过锁紧螺母将第二旋转轴12和第二支撑套16以及固定钣金件22固连，固定钣金件22固接于机身上。

测量过程中，第二旋转轴12的接轴套14、第二压盖19和第二旋转轴角位移传感器18内圈随第二旋转轴12同步转动；第二支撑套16和第二旋转轴角位移传感器18外圈通过双头螺杆21与固定钣金件22固连，保持相对静止。

第二旋转轴12的接轴套14端面与轴端经过磨削和抛光处理。

线位移测量部分是由直线光栅尺23、读数头24、安装支架25和导轨26等组成；直线光栅尺23安装于导轨26的下方，与导轨26固连，读数头24通过安装支架25与机身27固连。

为了保证直线光栅尺23安装的直线度和与导轨26的平行度，直线位移测量部分配备有相应的检测设备。

数据同步采集控制部分是由硬件细分计数卡和采样同步控制器组成。 

在多轴同步误差测量过程中，为了保证角位移传感器外圈的相对静止，多轴同步误差测量装置采取了以下三方面的措施：一、精选轴承。尽量选择摩擦阻力小的轴承，并定期向轴承内部添加黄油以保证润滑效果；二、较小预紧力。在用双头螺杆连接旋转轴支撑套和固定钣金件时，需要用螺母在固定钣金件U形槽两端进行固定，此时，如果预紧力过大，将给旋转轴支撑套带来附加扭矩和拉应力，影响测量精度，因此在安装过程中，固定钣金件U形槽两端的螺母要轮流预紧，且预紧力大小以保证用手不致使双头螺杆和固定钣金件发生相对位移为准；三、加强筋。在多轴同步误差测量过程中，固定钣金件难免受到双头螺杆的力的作用，为了提高固定钣金件的刚性，使其在一定的受力范围内不发生变形，除了选用较厚的钢板做固定钣金件外，可考虑在在固定钣金件两侧焊接加强筋。

针对不同的测量对象，旋转轴角位移传感器外圈既可选择单独固定，也可选择一起固定。

针对不同的测量对象，旋转轴角位移传感器外圈既可选择单独固定，也可选择一起固定。

本装置采用的角位移传感器和线位移传感器都为光栅式传感器，光栅传感器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置，它具有分辨率高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠、接口数字化、易于维护、性价比高等优点，是目前应用最广泛的位移传感器。角位移传感器的分辨率为0.02°，经硬件细分后其分辨率可达0.0001°，精度±0.001°，最大测量转速不小于60r/min，最小测量转速不大于1°/min；线位移传感器的分辨率为4um，经硬件细分后可达0.02um，精度±2um，最大测量速度不小于30m/min,最小测量速度不大于0.1mm/min。

数据同步采集控制部分（如图4所示）主要由硬件细分计数卡和采样同步控制器组成，硬件细分计数卡完成位移传感器输出信号的采集、预处理、细分、计数以及计数值存储。采样同步控制器实现各传感器信号的同步采集和计数值的同步输出。每个硬件细分计数卡都设有一个外部信号输入端用于同步采样控制，当采样开始时，计算机向采样同步控制器发出指令使其按照设定的频率输出同步采样控制信号，控制器每输出一个信号，计数卡完成一次计数值输出。

第一旋转轴由第一角位移传感器检测采集信号，第二旋转轴由第二角位位移传器采集信号，第n旋转轴由第n角移位传感器采集信号，直线轴由线位移传感器采集信号。

在计算机分析处理部分，应用程序为每个位移传感器的输出创建一个数组，数组的大小依据采样频率和采样时间而定，可静态设置，也可动态调整。当完成一次采样后，计数卡输出的计数值通过算法转换成相应的位移值并存入对应数组的对应位置，程序再根据预先设定的采样频率、采样时间以及各轴的理论速比关系计算得到对应轴的实时传动比和同步误差曲线。在静态测量中，系统依据旋转轴与旋转轴、旋转轴与直线轴的速比关系确定各轴的单步行走位移，计算机设置相应的参数并调用程序采集各轴的位移数据，系统单步执行，计算机对采集的实时数据进行分析处理，得到各离散特征点的同步误差；在动态测量中，系统依据旋转轴与旋转轴、旋转轴与直线轴的速比关系确定各轴的运行速度，系统连续运行，计算机设置相应的参数并调用程序采集各轴的实时位移数据，通过算法分析即可得到任意两轴的实时传动比和同步误差曲线，并可实时输出各测量轴的速度、加速度波形以及对误差数据进行时域分析、频域分析和时频分析等后续处理。

计算机分析处理部分通过VC++和MATLAB联合编程实现，以充分利用VC++代码的高效率和MATLAB强大的数据分析及图形处理能力。其中时域分析部分主要包括最大值、最小值、均值、峰-峰值、方差、均方值、累计误差、直方图分布、概率密度、概率分布等；频域分析部分主要包括基于快速傅里叶变换的幅值谱、相位谱、倒频谱、相关分析、经典功率谱分析以及现代功率谱分析（基于AR模型）等；时频分析主要包括小波分析等。 

Claims (7)

1.一种多轴同步误差检测装置，其特征在于：检测装置包括第一角位移测量装置、第二角位移测量装置和线位移测量装置，第一角位移测量装置、第二角位移测量装置和线位移测量装置与数据同步采集控制装置连接，数据同步采集控制装置与计算机分析处理装置连接，第一角位移测量装置上的第一旋转轴（1）上安装有第一旋转轴角位移传感器（7），第一支撑套（5）与第一旋转轴角位移传感器（7）外圈相连，第一压盖（8）与第一旋转轴角位移传感器（7）内圈相连，第一联轴器（3）通过第一连接螺栓（2）与第一旋转轴（1）相连，第一联轴器（3）上端与第一轴承（4）内圈相连，第一轴承（4）外圈与第一支撑套（5）内圈相连，第一连接螺钉（9）连接第一旋转轴角位移传感器（7）内圈和第一联轴器（3）上端，第一支撑套（5）通过第一双头螺杆（10）与固定支座（11）连接。

2.根据权利要求1所述的多轴同步误差检测装置，其特征在于：第二角位移测量装置上的第二旋转轴（12）上安装有第二旋转轴角位移传感器（18），第二旋转轴（12）通过第二压紧螺母（13）与第二旋转轴（12）的接轴套（14）固连，第二旋转轴（12）的第二支撑套（16）和与接轴套（14）之间通过第二轴承（15）连接，第二轴承（15）内圈用压紧垫圈（17）和螺钉紧固，第二旋转轴角位移传感器（18）外圈与第二旋转轴（12）的第二支撑套（16）用螺钉固连，第二旋转轴角位移传感器（18）内圈与第二旋转轴（12）的第二压盖（19）相连，并用螺钉紧固，第二压盖（19）通过第二旋转轴连接螺钉（20）与第二旋转轴（12）接轴套（14）固连，第二旋转轴（12）的第二支撑套（16）外开有螺纹孔，第二双头螺杆（21）同过锁紧螺母将第二旋转轴（12）和第二支撑套（16）以及固定钣金件（22）固连，固定钣金件（22）固接于机身上。

3.根据权利要求1所述的多轴同步误差检测装置，其特征在于：线位移测量装置的直线光栅尺（23）安装于导轨（26）的下方，与导轨（26）固连，读数头（24）通过安装支架（25）与机身（27）固连。

4.根据权利要求1所述的多轴同步误差检测装置，其特征在于：数据同步采集控制装置由硬件细分计数卡和采样同步控制器组成。

5.根据权利要求1所述的多轴同步误差检测装置，其特征在于：第一角位移测量装置和第二角位移测量装置上还设有同轴度检测装置；线位移测量装置上还设直线度检测装置。

6.根据权利要求1所述的多轴同步误差检测装置，其特征在于：第一旋转轴角位移传感器（7）外圈和第二旋转轴角位移传感器（18）外圈既可单独固定，也可一起固定。

7.利用权利要求1所述的多轴同步误差检测装置测量多轴同步误差的方法，其特征在于：

（a）计算机根据检测要求设定静态检测或动态检测工作方式，采样频率等参数，同步采集各传感器的实时数据，并做相应的预处理；

（b）计算机实现任意两轴的实时传动比和同步误差波形显示，并完成对误差数据的时域分析、频域分析、时频分析等工作，

第（a）步骤中所述的静态检测是按如下方法实现的：系统依据旋转轴与旋转轴、旋转轴与直线轴的速比关系确定各轴的单步行走位移，计算机设置相应的参数并调用程序采集各轴的位移数据，系统单步执行，计算机对采集的实时数据进行分析处理，得到各特征点的同步误差，

第（a）步骤中所述的动态检测是按如下方法实现的：系统依据旋转轴与旋转轴、旋转轴与直线轴的速比关系确定各轴的运行速度，系统连续运行，计算机设置相应的参数并调用程序采集各轴的实时位移数据，通过算法分析即可得到任意两轴的实时传动比和同步误差曲线，并可实时输出各测量轴的速度、加速度波形以及对误差数据进行时域分析、频域分析和时频分析等后续处理；

第（a）步骤中所述的同步采集是按如下方法实现的：每个硬件细分计数卡都设有一个外部信号输入端用于同步采样控制，当采样开始时，计算机向采样同步控制器发出指令使其按照设定的频率输出同步采样控制信号，控制器每输出一个信号，计数卡完成一次计数值输出。

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