CN106289788A - 一种空气透平试验台探针定位装置及其误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气透平试验台探针定位装置，包括支架、用于控制支架位置的支架驱动机构和用于控制支架驱动机构的控制部件，所述支架上设置有用于驱动探针转动的旋转驱动机构且旋转驱动机构根据控制部件的控制信号对探针进行驱动，该装置采用机械方式对探针位置进行控制，其定位精度高、提高试验结果的准确性；不需要人为控制，节约人力物力且避免试验过程对人员的身体伤害。

Description

一种空气透平试验台探针定位装置及其误差补偿方法

技术领域

本发明涉及多级空气透平试验台的测试位移平台领域，具体涉及空气透平试验台探针定位装置及其误差补偿方法。

背景技术

目前国内汽轮机厂汽轮机通流设计的主要手段是采用三维软件分析优化，缺乏可靠验证。多级空气透平试验台则可用于汽轮机流场优化和流型选择的研究，验证三维软件的计算结果并对计算软件中采用的损失模型进行修正等，还可进行隔板汽封漏汽、平衡孔漏汽、叶顶汽封间隙流、部分进汽等对级特性影响、叶片的振动特性等试验研究。

探针作为数据采集的关键部件，其精度直接关系到试验研究结果的准确性。现有的探针定位，采用机械式手动方式，其不仅定位精度低，耗时长，无法保证试验结果的可靠性，且浪费了大量的动力费以及人力，同时试验过程中还对人员造成的身体伤害。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种空气透平试验台探针定位装置，采用机械方式对探针位置进行控制，其定位精度高、提高试验结果的准确性；不需要人为控制，节约人力物力且避免试验过程对人员的身体伤害。

本发明通过下述技术方案实现：

一种空气透平试验台探针定位装置，包括支架、用于控制支架位置的支架驱动机构和用于控制支架驱动机构的控制部件，所述支架上设置有用于驱动探针转动的旋转驱动机构且旋转驱动机构根据控制部件的控制信号对探针进行驱动。本方案的支架对探针进行固定，支架驱动机构在控制部件的输出信号驱使下驱动支架移动，使探针到达指定位置。旋转驱动机构带动探针转动，控制探针在空气透平机同一叶片高度旋转运动，旋转范围0°至360°，并按指定间隔沿相同叶高测量叶片上相关位置的流场技术参数。本方案采用机械方式对探针位置进行控制，其定位精度高，可有效的提高试验结果的准确性；探针的整个定位过程不需要人为的参与，可有效的减小人力物力，避免试验过程中对人员的身体伤害。

作为优选，所述支架驱动机构包括径向驱动机构、轴向驱动机构和周向驱动机构。径向驱动机构用于控制探针在其中心轴方向上移动，构成Y轴方向的移动；轴向驱动机构用于控制探针在其某一直径方向上移动，构成X轴方向上的移动；周向驱动机构用于控制探针在同一直径面上且与轴向驱动机构相垂直方向移动，构成Z轴方向上的移动。本方案分别从探针的径向、轴向和周向对探针进行控制，以实现对探针位置的精确定位。

进一步的，所述径向驱动机构、轴向驱动机构和周向驱动机构均包括丝杆、套接在丝杆上的调节块、用于驱动丝杆转动的驱动件，所述支架固定在径向驱动机构的调节块上，所述径向驱动机构固定在轴向驱动机构的调节块上，所述轴向驱动机构固定在周向驱动机构的调节块上。径向驱动机构、轴向驱动机构和周向驱动机构均采用丝杆转动带动调节块移动的方式，即采用螺纹调距的方式，其控制精度高，满足探针定位精度的要求。

进一步的，所述丝杆和探针上还设置有转动角检测装置，所述控制部件根据转动角检测装置的数据实现对探针位置的反馈控制。丝杆和调节块的连接结构，将转动距离转换为直线移动距离，转动角度检测装置对丝杆的转动圈数进行监测，并反馈给控制系统，控制系统根据监测数据对探针进行反馈控制，既可增强对探针的保护作用，也可提高对探针的控制精度。

进一步的，所述驱动件包括电机、同步带轮组和张设在同步带轮组上的弹性联轴器，所述同步带轮组一同步带轮固定在电机的输出轴上且一同步带轮丝杆同轴固定。由于设置了转动角检测装置，驱动件采用电机作为动力源，利用同步带轮组队电机的设置进行变换，便于驱动件的设置，且采用同步带轮组，其结构简单，易于生产。

作为优选，还包括连接在控制部件上的检测回路，当探针与缸体触碰时，此回路接通，控制部件控制径向驱动机构停止运行。由于用于透平试验数据检测的探针属纯手工制作，价格昂贵且试验过程中一旦损坏将不可修复，因此对其保护显得尤为重要。探针作为检测回路的一部分，当探针与缸体接触时，该检测回路接通，控制系统的某接口信号转换，转换到有效信号，触发控制系统控制径向驱动机构停止运行，避免探针继续下移，有效保护探针免受损坏。

作为优选，所述控制部件包括工控机和连接在工控机上的运动控制卡，所述支架驱动机构和旋转驱动机构均连接在运动控制卡上。利用运动控制卡实现对旋转驱动机构、径向驱动机构、轴向驱动机构和周向驱动机构，运动控制卡以TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A，以及ACTEL公司的A3P400 FPGA芯片为核心。DSP芯片作为控制处理器，主要完成各种运动控制算法；FPGA协助DSP工作，完成各种运动控制、系统开关量以及系统内部各种逻辑控制；DSP和FPGA协同工作，共同构建智能化缝制设备控制系统的核心单元，既充分利用DSP数据信号处理能力，进行复杂算法运算；又充分发挥FPGA运算速度快的特点，使其资源互补。FRAM能实时动态存储系统的运行状态信息；通过RS232通信与上位机交换数据信息。该结构模式可根据实际需要灵活配置各种硬件，具有数据处理速度快、存储容量大、功能扩展方便、易于系统升级、维护方便等优点。

一种探针位移误差补偿方法，包括以下步骤：

a、在无补偿的情况下，在直线移动方向上将有效行程等分为若干段；

b、测量出各段中各目标位置的平均位置偏差；

c、将各段的平均位置偏差分别反向叠加到控制系统的差补指令中。

进一步的，所述差补指令包括径向差补指令、轴向差补指令和周向差补指令。

本发明与现有技术相比，至少具有如下的优点和有益效果：

本发明采用机械方式对探针位置进行控制，其定位精度高，可有效的提高试验结果的准确性；探针的整个定位过程不需要人为的参与，可有效的减小人力物力，避免试验过程中对人员的身体伤害。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的旋转驱动机构的结构示意图。

图3为本发明的径向驱动机构的结构示意图。

图4为本发明的轴向驱动机构的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

11、第一电机，12、第一同步带轮组，13、第一弹性联轴器，14、第一转动角检测装置，21、第二电机，22、第二同步带轮组，23、第二弹性联轴器，24、第二转动角检测装置，25、第一丝杆，26、第一调节块，31、第三电机，32、第三同步带轮组，33、第三弹性联轴器，35、第二丝杆，36、第二调节块，4、周向驱动机构，5、支架，6、探针。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示一种空气透平试验台探针定位装置，包括用于固定探针6的支架5、控制支架5位置的支架驱动机构和用于控制支架驱动机构的控制部件，支架5上设置有驱动探针转动的旋转驱动机构，旋转驱动机构根据控制部件的控制信号对探针进行驱动。

安装时，支架驱动机构、支架5密封在气缸上，在罩壳上设置观察窗，便于操作人员对整套机构的运行情况的观测。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，具体的，支架驱动机构包括径向驱动机构、轴向驱动机构和周向驱动机构4。

控制部件包括工控机和连接在工控机上的运动控制卡，支架驱动机构和旋转驱动机构均连接在运动控制卡上。运动控制卡包括轴控模块和IO扩展模块，便于功能扩展。

如图2所示，旋转驱动机构包括第一电机11、第一同步带轮组12和张设在第一同步带轮组上的第一弹性联轴器13，弹性联轴器可采用同步带实现。第一转动角检测装置14安装在探针顶部，对探针转动旋转角度进行检测，具体的可采用空心轴编码器。空心轴编码器安装在支架5上，与第一电机11、运动控制卡构成半闭环的控制方式，保证探针的旋转精度。

如图3所示，径向驱动机构包括第一丝杆25、套接在第一丝杆上的第一调节块26、用于驱动第一丝杆25转动的第一驱动件，第一丝杆25与第一调节块螺纹连接，第一丝杆25在转动过程中，第一调节块即可实现沿第一丝杆的径向移动；支架5固定在第一调节块上，探针与第一丝杆相平行，即可实现探针的径向位移控制。具体的第一驱动件包括第二电机21、第二同步带轮组22和张设在第二同步带轮组上的第二弹性联轴器23。第二转动角检测装置24安装在第一丝杆的一端，对第一丝杆的转动角度进行检测。第二转动角检测装置24与第二电机、运动控制卡构成半闭环的控制方式，保证探针的径向移动的精度。

如图4所示，轴向驱动机构包括第二丝杆35、套接在第二丝杆35上的第二调节块36、用于驱动第二丝杆35转动的第二驱动件，第二调节块36的控制原理与径向驱动机构相同；径向驱动机构固定在第二调节块36上，探针与第二丝杆相垂直，即可实现探针的轴向位移控制。具体的第二驱动件包括第三电机31、第三同步带轮组32和张设在第三同步带轮组32上的第三弹性联轴器33。第三转动角检测装置安装在第二丝杆的一端，对第二丝杆的转动角度进行检测。第三转动角检测装置与第三电机、运动控制卡构成半闭环的控制方式，保证探针的轴向移动的精度。

同理，周向驱动机构4包括第三丝杆、套接在第三丝杆上的第三调节块、用于驱动第三丝杆转动的第三驱动件，第三调节块的控制原理与径向驱动机构相同；轴向驱动机构固定在第三调节块上，第三丝杆同时与探针和第二丝杆相垂直，即可实现探针的周向位移控制。具体的第三驱动件包括第四电机、第四同步带轮组和张设在第四同步带轮组上的第四弹性联轴器。第四转动角检测装置安装在第三丝杆的一端，对第三丝杆的转动角度进行检测。第四转动角检测装置与第四电机、运动控制卡构成半闭环的控制方式，保证探针的周向移动的精度。

实施例3

上述实施例，支架是探针实现运动的载体，由电机驱动，实现三维的直线运动。由于用于透平试验数据检测的探针属纯手工制作，价格昂贵且试验过程中一旦损坏将不可修复，因此对控制系统要求极高。本实施例在上述实施例的基础上做了优化，即在控制部件上的检测回路，当探针与缸体触碰时，此回路接通，控制部件控制径向驱动机构停止运行。具体的，在控制部件输入信号定义中MI10对刀信号，高电平有效，其属于开关信号，当径向驱动机构驱动探针支架向缸体方向运行后，探针碰触到缸体后此I/0 信号接通，该信号接通后控制部件沿当前方向运行被禁止；控制部件开机后，回到机床零点，点对刀按键后探针支架沿径向方向向负方向运行，碰触到缸体后运行停止。操作人员也可根据此时径向位置坐标数据计算出探针运行极限，在用户参数中安全平面值输入该极限值。

实施例4

由于上述装置在径向、轴向和周向均采用螺纹驱动方式，虽然其控制精度高，但是，仍存在误差。为了提高控制部件的定位精度和重复定位精度，在控制部件的系统参数中增加位移误差补偿方法，分别对径向、轴向和周向定位误差进行补偿修正，使得探针定位更加准备。

一种探针位移误差补偿方法，包括以下步骤：

a、在无补偿的情况下，在直线移动方向上将有效行程等分为若干段；

b、测量出各段中各目标位置的平均位置偏差；

c、将各段的平均位置偏差分别反向叠加到控制系统的差补指令中。

所述差补指令包括径向差补指令、轴向差补指令和周向差补指令。

具体的，控制部件要求沿轴向运动到目标位置P_i，目标实际位置为P_ij，该点的平均位置偏差为y_i,将该值输入补偿列表，系统在计算时自动将目标位置P_i的平均位置偏差y_i叠加到插补上，实际运行位置为P_ij= P_i + y_i,使得误差部分抵消，实现误差的补偿。

实施例5

本实施例在实施例4的基础上例举一详细实施方式。

由于径向、轴向及周向运动都是直线运动，其螺距补偿原理是相同的。以径向Y轴补偿为例，该轴行程为260mm, 将该行程分为8段，螺距补偿起点坐标为10mm，终点坐标为250mm，跳跃步长为30mm。螺距补偿可以进行补偿，将激光干涉仪量出各目标位置的平均位置偏差输入到补偿数据中。例如测量出第一区段的平均位置偏差为0.008，径向驱动机构在驱动第二丝杆运行时自动将位置偏差0.008叠加到该区段，实现了对定位误差的补偿。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种空气透平试验台探针定位装置，其特征在于：包括用于固定探针（6）的支架（5）、控制支架（5）位置的支架驱动机构和用于控制支架驱动机构的控制部件，所述支架（5）上设置有驱动探针转动的旋转驱动机构，所述旋转驱动机构根据控制部件的控制信号对探针进行驱动。

2.根据权利要求1所述的一种空气透平试验台探针定位装置，其特征在于：所述支架驱动机构包括用于控制探针在其中心轴方向上移动的径向驱动机构、用于控制探针在其一直径方向上移动的轴向驱动机构、用于控制探针在直径面上且与轴向驱动机构相垂直方向移动的周向驱动机构。

3.根据权利要求2所述的一种空气透平试验台探针定位装置，其特征在于：所述径向驱动机构、轴向驱动机构和周向驱动机构均包括丝杆、套接在丝杆上的调节块、用于驱动丝杆转动的驱动件，所述支架（5）固定在径向驱动机构的调节块上，所述径向驱动机构固定在轴向驱动机构的调节块上，所述轴向驱动机构固定在周向驱动机构的调节块上。

4.根据权利要求3所述的一种空气透平试验台探针定位装置，其特征在于：所述丝杆和探针上均设置有转动角检测装置，所述控制部件根据转动角检测装置的数据实现对探针位置的反馈控制。

5.根据权利要求3所述的一种空气透平试验台探针定位装置，其特征在于：所述驱动件包括电机、同步带轮组和张设在同步带轮组上的弹性联轴器，所述同步带轮组一同步带轮固定在电机的输出轴上且一同步带轮丝杆同轴固定。

6.根据权利要求1所述的一种空气透平试验台探针定位装置，其特征在于：还包括连接在控制部件上的检测回路，当探针与缸体触碰时，此回路接通，控制部件控制径向驱动机构停止运行。

7.根据权利要求1所述的一种空气透平试验台探针定位装置，其特征在于：所述控制部件包括工控机和连接在工控机上的运动控制卡，所述支架驱动机构和旋转驱动机构均连接在运动控制卡上。

8.一种探针位移误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、在无补偿的情况下，在直线移动方向上将有效行程等分为若干段；

b、测量出各段中各目标位置的平均位置偏差；

c、将各段的平均位置偏差分别反向叠加到控制系统的差补指令中。

9.根据权利要求8所述的一种螺距误差补偿方法，其特征在于：所述差补指令包括径向差补指令、轴向差补指令和周向差补指令。