CN108151786A - 光电编码器角度误差自动检测系统及系统误差修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电编码器角度误差自动检测系统和系统误差修正方法，包括水平平台、垫块、自准直仪、增量式高精度编码器、金属多面棱体、被测光电编码器、联轴节、永磁同步电机、固定支架、数据采集及总控设备、电机驱动器、集成触摸屏。检测系统通过数据采集及总控设备控制永磁同步电机的旋转和对永磁同步电机旋转角度数据和被测光电编码器角度数据的采集,实现被测编码器角度误差的自动化检测，利用金属多面棱体和自准直仪对永磁同步电机旋转误差标定,修正测量结果中的系统误差，从而提高了光电编码器角度误差的检测效率，有效提高了对被测光电编码器角度误差的检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及光电编码器技术领域，特别是涉及一种光电编码器角度误差自动检测系统及系统误差修正方法。
背景技术
光电编码器是以高精度计量码盘为测量元件，集光、机、电于一体的将角度位移量转换成相应数字量的位移传感器。以其精度高，测量范围广，可直接与处理电路连接，可实现高精度数字测量及精密控制等优点，广泛的应用于精密测量、工业控制、自动化检测等相关领域。由于对光电编码器的需求日益增大，并且光电编码器的误差直接影响应用深度；因此在光电编码器的研制和生产过程中，需要对编码器角度误差进行自动化检测。传统的检测方法：金属多面棱体与被测光电编码器同轴连接，以发光二极管排灯显示被测光电编码器的数字量，通过微调装置带动被测编码器和金属多面棱体旋转，利用自准直仪对金属多面棱体的转角的测量，以金属多面棱体转角为标准量实现对待测编码器的精度标定。或者采用更高精度的编码器或角度传感器用联轴节同轴联接待测编码器，对两者输出量的比较，实现被测光电编码器角度误差检测。由于现有检测方法安装结构复杂、检测过程繁琐、性价比低、测量结果易引入人工误差和系统误差等缺点，从而使得计算得到的被检光电编码器的精度误差增大，在一定程度上限制了检测编码器在现代技术领域中的发展，所以对编码器自动化检测系统的进一步研究已迫在眉睫。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是要提供一种光电编码器角度误差自动检测系统和系统误差修正方法，以实现对光电编码器的角度值误差的自动化测量以及对测量过程中的系统误差进行自动化检测及修正，避免传统人工检测方法耗时长、过程繁琐、易引入人工误差等缺点。
本发明的目的是这样实现的，一种光电编码器角度误差自动检测系统，该系统包括水平平台、垫块、自准直仪、增量式高精度编码器、金属多面棱体、被测光电编码器、联轴节、永磁同步电机、固定支架、数据采集及总控设备、电机驱动器和触摸屏；所述被测光电编码器设置在固定支架上，被测光电编码器通过联轴节与金属多面棱体和永磁同步电机同轴连接；所述增量式高精度编码器与永磁同步电机同轴连接，所述自准直仪位于垫块上方，所述自准直仪光轴与金属多面棱体位于同一水平面上，所述电机驱动器与增量式高精度编码器和永磁同步电机相连。所述数据采集及总控设备与所述电机驱动器、被测光电编码器和集成触摸屏连接。
所述数据采集及总控设备包括：被测光电编码器数据采集电路、电机旋转角度数据采集电路、数据处理电路、数据传输电路和电机控制电路；其中：
所述被测光电编码器数据采集电路与被测光电编码器相连接，所述被测光电编码器数据采集电路用于采集所述被测光电编码器输出的数字信号；
所述电机旋转角度数据采集电路与增量式高精度编码器通过电机驱动器相连接，所述电机旋转角度数据采集电路用于采集所述增量式高精度编码器输出的电机旋转角度数据，并可采集增量式高精度编码器的机械零点；
所述数据处理电路分别与所述被测光电编码器数据采集电路和所述电机旋转角度数据采集电路相连接，数据处理电路用于将所述被测光电编码器数据采集电路和所述电机旋转角度数据采集电路采集的角度数据按照预设要求计算得到被测光电编码器的角度误差；
所述数据传输电路分别与所述数据处理电路和所述集成触摸屏相连接，数据传输电路用于把集成触摸屏发送的指令输出至所述数据处理与计算电路，并所述数据处理与计算电路输出的被测光电编码器的角度误差结果输出至所述集成触摸屏进行显示；
所述电机控制电路分别与所述数据传输电路和所述电机驱动器连接，电机控制电路根据所述数据采集及总控设备发送的转动指令控制所述电机驱动器，以达到控制所述永磁同步电机转动的目的。
所述增量式高精度编码器是一台12000线的增量式光电编码器，其精度为±20〞；所述永磁同步电机的最小步长为3″；所述金属多面棱体精度为±1″，自准直仪精度为±0.1″。
系统误差修正方法包括：光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差修正方法和检测结果的系统误差修正方法，具体步骤如下：
①、光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差修正方法为：首先将金属多面棱体，永磁同步电机和增量式高精度光电编码器由上至下依次同轴连接，增量式高精度编码器作为控制永磁同步电机运动基准，控制永磁同步电机的旋转角度，然后通过集成触摸屏向数据采集及总控设备发送指令，数据采集及总控设备控制电机驱动器及永磁同步电机旋转到永磁同步电机的机械零点，视该点的系统误差为零，其次永磁同步电机带动金属多面体转动，然后利用自准直仪测量i个金属多面体旋转角度值w，采集相对应的永磁同步电机的旋转角度值x，将i个金属多面体旋转角度值w和永磁同步电机的旋转角度值x带入公式（1），得到i个永磁同步电机旋转误差值J，公式（1） 为：
J=w-x （1）
利用i个光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差J和相对应的永磁同步电机旋转角度值x带入公式（2）拟合，计算拟合参数得到光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差J与永磁同步电机旋转角度x的函数关系。
公式（2）为：
（2）
将得到的拟合参数输入到数据采集及总控设备；数据采集及总控设备利用光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差J与永磁同步电机旋转角度x的函数关系，对光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差修正。
②、对被测编码器进行角度误差自动化检测时的检测结果系统误差修正过程为：首先被测光电编码器、永磁同步电机和增量式高精度编码器同轴连接，然后集成触摸屏向数据采集及总控设备发送指令，电机驱动器根据数据采集及总控设备接收的指令控制永磁同步电机带动被测光电编码器、增量式高精度编码器同步转动；然后数据采集及总控设备采集永磁同步电机的旋转角度数据x和被测光电编码器角度数据y，数据采集及总控设备根据检测结果系统误差修正公式（3），利用光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差J与永磁同步电机旋转角度x的函数关系，计算得到系统误差修正后的光电编码器角度误差。
R=y-x+J （3）
所述的自准直仪和所述的金属多面棱体可对永磁同步电机的旋转角度误差进行测量，所述的金属多面棱体可拆卸。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供了一种光电编码器角度误差自动检测系统和系统误差修正方法，本发明系统利用金属多面棱体和自准直仪对永磁同步电机旋转角度误差进行标定，采用永磁同步电机带动被测光电编码器同步转动实现光电编码器角度误差自动检测、实现对系统误差修正，减小测量结果的系统误差。
2、本发明系统的数据采集及总控设备通过控制永磁同步电机的转动实现对被测光电编码器角度误差的自动测量：通过控制数据采集电路采集永磁同步电机旋转角度和被测光电编码器输出的两个的角度数据，将该角度数据按照预设要求计算得到被测光电编码器角度误差、测量系统误差并对被测光电编码器角度误差进行误差自动修正，以实现对被测光电编码器的精度检测。
3、本发明采用利用金属多面棱体校正后的永磁同步电机实现光电编码器角度误差的自动测量和对测量结果中的系统误差自动修正，相比现有利用微调装置进行手动检测，本发明实现了对被测光电编码器角度误差的自动检测，并可减小测量结果中的系统误差，大大提高了光电编码器的检测效率，使检测结果更真实可信，有效提高了对被测光电编码器的检测精度。
附图说明
图1是一种光电编码器精度检测和修正系统的结构示意图。
图2是本发明系统中数据采集及总控设备中数据采集及控制电路的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种光电编码器角度误差自动检测和系统误差修正系统及方法，以实现对被测光电编码器的角位置误差的自动化检测，减小了因测量系统带来的系统误差。
参见图1，一种光电编码器角度误差自动检测和系统误差修正系统，该系统包括水平平台1、垫块2、自准直仪3、增量式高精度编码器4、金属多面棱体5、被测光电编码器6、联轴节7、永磁同步电机8、固定支架9、数据采集及总控设备10、电机驱动器11、触摸屏12。
具体的，所述被测光电编码器6设置在固定支架9上，被测光电编码器6通过联轴节7与金属多面棱体5和永磁同步电机8同轴连接；所述增量式高精度编码器4与永磁同步电机8同轴连接，自准直仪3位于垫块2上，自准直仪3光轴与金属多面棱体5位于同一水平面，电机驱动器11与增量式高精度编码器4和永磁同步电机8相连，所述的数据采集及总控设备10与所述的电机驱动器11，被测光电编码器6和集成触摸屏12连接。
具体的，光电编码器角度误差自动检测系统测量原理为：首先所述的触摸屏12对向所述数据采集及总控设备4发送指令，所述永磁同步电机8、增量式高精度编码器4和被测光电编码器6同步转动，然后数据及总控设备4对待测编码器6及电机驱动器11的数据采集，并通过电机驱动器11对永磁同步电机8转角控制。然后数据及总控设备4对采集的数据按照预设要求计算得到所述被测光电编码器6的角度误差，将处理的结果显示在集成触摸屏12，实现人机交互，控制光电编码器角度误差自动检测系统的测量过程以及测量系统误差校正过程。
本发明的系统误差修正方法包括：光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差修正方法和检测结果的系统误差修正方法，具体步骤如下：
①、光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差修正方法为：首先将金属多面棱体5，永磁同步电机8和增量式高精度光电编码器4由上至下依次同轴连接，增量式高精度编码器4作为控制永磁同步电机8运动基准，控制永磁同步电机8的旋转角度，然后通过集成触摸屏12向数据采集及总控设备10发送指令，数据采集及总控设备10控制电机驱动器11及永磁同步电机8旋转到永磁同步电机8的机械零点，视该点的系统误差为零，然后永磁同步电机8带动金属多面体5转动，利用自准直仪3测量i个金属多面体旋转角度值w，采集相对应的永磁同步电机8的旋转角度值x，将i个金属多面体旋转角度值w和永磁同步电机的旋转角度值x带入公式（1），得到i个永磁同步电机旋转误差值J，公式（1） 为：
J=w-x （1）
利用i个光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差J和相对应的永磁同步电机旋转角度值x带入公式（2）拟合，计算拟合参数得到光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差J与永磁同步电机旋转角度x的函数关系。
公式（2）为：
（2）
将得到的拟合参数输入到数据采集及总控设备10；数据采集及总控设备10利用光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差J与永磁同步电机旋转角度x的函数关系，对光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差修正。
②、对被测编码器6进行角度误差自动化检测时，检测结果系统误差修正过程为：首先被测光电编码器6、永磁同步电机8和增量式高精度编码器4同轴连接，然后集成触摸屏12向数据采集及总控设备10发送指令，电机驱动器11根据数据采集及总控设备10接收的指令控制永磁同步电机8，带动被测光电编码器6、增量式高精度编码器4同步转动；然后数据采集及总控设备10采集永磁同步电机8的旋转角度数据x和被测光电编码器6角度数据y，数据采集及总控设备10根据检测结果系统误差修正公式（3），利用光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差J与永磁同步电机旋转角度x的函数关系，计算得到系统误差修正后的光电编码器角度误差。
R=y-x+J （3）
综上可以看出，本发明提供的一种光电编码器角度误差自动检测系统及系统误差修正方法，利用自准直仪3和金属多面棱体5对永磁同步电机8的旋转误差进行校正，得到系统误差与永磁同步电机旋转角度的函数关系。通过数据采集及总控设备10采集永磁同步电机8旋转角度数据和被测光电编码器6角度数据，计算得到被测光电编码器6角度误差，并利用系统误差与永磁同步电机旋转角度的函数关系自动计算被测光电编码器6角度误差中的系统误差，并计算系统误差校正后被测光电编码器6的角度误差，已达到减小测量结果中的系统误差的目的。
本发明利用控制永磁同步电机8的旋转、对永磁同步电机8旋转角度数据和被测光电编码器6角度数据的采集实现待测编码器6角度误差的自动化检测，并将检测结果自动存储在数据采集及总控设备10，并将测量结果显示在集成触摸屏12中，相比现有技术利用微调装置和灯排进行手动检测，检测系统通过数据采集及总控设备控制永磁同步电机的旋转和对永磁同步电机旋转角度数据和被测光电编码器角度数据的采集,实现被测编码器角度误差的自动化检测，利用金属多面棱体和自准直仪对永磁同步电机旋转误差标定,修正测量结果中的系统误差，从而提高了光电编码器角度误差的检测效率，有效提高了对被测光电编码器角度误差的检测精度。
优选的，增量式高精度编码器4是一台12000线的增量式光电编码器，其精度为±20〞。
优选的，永磁同步电机8的最小步长为3″。
优选的，金属多面棱体5精度为±1″，自准直仪精度为±0.1″。
优选的，金属多面体5在光电编码器角度误差检测系统结构中可拆卸。
参见图2，所述数据采集及总控设备10包括：被测光电编码器数据采集电路101、电机旋转角度数据采集电路102、数据处理电路103、数据传输电路104和电机控制电路105 。
其中：与被测光电编码器6 相连接的被测光电编码器数据采集电路101，所述被测光电编码器数据采集电路101 用于采集所述被测光电编码器6 输出的数字信号；
与所述增量式高精度编码器4通过电机驱动器11相连接的电机旋转角度数据采集电路102，所述电机旋转角度数据采集电路102用于采集所述增量式高精度编码器4输出的电机旋转角度数据，并可采集增量式高精度编码器的机械零点。
数据处理电路103，所述数据处理与计算电路103分别与所述被测光电编码器数据采集电路101和所述电机旋转角度数据采集电路102连接，数据处理电路103用于将所述被测光电编码器数据采集电路101和所述电机旋转角度数据采集电路102采集的角度数据按照预设要求计算得到被测光电编码器的角度误差；
数据传输电路104，所述数据传输电路104分别与所述数据处理电路103和所述集成触摸屏12连接，用于把集成触摸屏12发送的指令输出至所述数据处理与计算电路103，并将所述数据处理与计算电路103输出的被测光电编码器的角度误差结果输出至所述集成触摸屏12进行显示；
所述电机控制电路105分别与所述数据传输电路104和所述电机驱动器11连接，电机控制电路105根据所述数据采集及总控设备10发送的转动指令控制所述电机驱动器11，以达到控制所述永磁同步电机8转动的目的。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种光电编码器角度误差自动检测系统，其特征在于：该自动检测系统包括水平平台（1）、垫块（2）、自准直仪（3）、增量式高精度编码器（4）、金属多面棱体（5）、被测光电编码器（6）、联轴节（7）、永磁同步电机（8）、固定支架（9）、数据采集及总控设备（10）、电机驱动器（11）和触摸屏（12）；所述被测光电编码器（6）设置在固定支架（9）上，被测光电编码器（6）通过联轴节（7）与金属多面棱体（5）和永磁同步电机（8）同轴连接；所述增量式高精度编码器（4）与永磁同步电机（8）同轴连接，所述自准直仪（3）位于垫块（2）上方，所述自准直仪（3）光轴与金属多面棱体（5）位于同一水平面上，所述电机驱动器（11）与增量式高精度编码器（4）和永磁同步电机（8）相连；所述数据采集及总控设备（10）与所述电机驱动器（11）、被测光电编码器（6）和集成触摸屏（12）连接。
2.根据权利要求1所述的一种光电编码器角度误差自动检测系统，其特征在于：所述数据采集及总控设备（10）包括：被测光电编码器数据采集电路(101)、电机旋转角度数据采集电路（102）、数据处理电路（103）、数据传输电路（104）和电机控制电路（105）；其中：
所述被测光电编码器数据采集电路（101）与被测光电编码器（6）相连接，所述被测光电编码器数据采集电路（101）用于采集所述被测光电编码器（6）输出的数字信号；
所述电机旋转角度数据采集电路（102）与增量式高精度编码器（4）通过电机驱动器（11）相连接，所述电机旋转角度数据采集电路（102） 用于采集所述增量式高精度编码器（4）输出的电机旋转角度数据，并可采集增量式高精度编码器的机械零点；
所述数据处理电路（103）分别与所述被测光电编码器数据采集电路（101）和所述电机旋转角度数据采集电路（102）相连接，数据处理电路（103）用于将所述被测光电编码器数据采集电路（101）和所述电机旋转角度数据采集电路（102）采集的角度数据按照预设要求计算得到被测光电编码器的角度误差；
所述数据传输电路（104）分别与所述数据处理电路（103）和所述集成触摸屏（12）相连接，数据传输电路（104）用于把集成触摸屏（12）发送的指令输出至所述数据处理与计算电路（103），并将所述数据处理与计算电路（103）输出的被测光电编码器的角度误差结果输出至所述集成触摸屏（12）进行显示；
所述电机控制电路（105）分别与所述数据传输电路（104）和所述电机驱动器（11）连接，电机控制电路（105）根据所述数据采集及总控设备（10）发送的转动指令控制所述电机驱动器（11），以达到控制所述永磁同步电机（8）转动的目的。
3.根据权利要求1所述的一种光电编码器角度误差自动检测系统，其特征在于：所述增量式高精度编码器（4）是一台12000线的增量式光电编码器，其精度为±20〞；所述永磁同步电机（8）的最小步长为3″；所述金属多面棱体（5）精度为±1″，自准直仪精度为±0.1″；所述金属多面体（5）在光电编码器角度误差检测系统结构中可拆卸。
4.一种如权利要求1所述光电编码器角度误差自动检测系统的误差修正方法，其特征在于：该系统包括光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差修正方法和检测结果的系统误差修正方法，具体步骤如下：
①、光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差修正方法为：首先将金属多面棱体（5），永磁同步电机（8）和增量式高精度光电编码器（4）由上至下依次同轴连接，增量式高精度编码器（4）作为控制永磁同步电机（8）运动基准，控制永磁同步电机（8）的旋转角度，然后通过集成触摸屏（12）向数据采集及总控设备（10）发送相应指令，数据采集及总控设备（10）控制电机驱动器（11）及永磁同步电机（8）旋转到永磁同步电机（8）的机械零点，视该点的系统误差为零，然后永磁同步电机（8）带动金属多面体（5）转动，利用自准直仪（3）测量i个金属多面体旋转角度值w，采集相对应的永磁同步电机（8）的旋转角度值x，然后将i个金属多面体旋转角度值w和永磁同步电机的旋转角度值x带入公式（一），得到i个永磁同步电机旋转误差值J，公式（一） 为：
J=w-x （一）
利用i个光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差J和相对应的永磁同步电机旋转角度值x带入公式（二）拟合，计算拟合参数得到光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差J与永磁同步电机旋转角度x的函数关系；
公式（二）为：
（二）
将得到的拟合参数输入到数据采集及总控设备（10）；数据采集及总控设备（10）利用光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差J与永磁同步电机旋转角度x的函数关系，对光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差修正；
②、对被测编码器（6）进行角度误差自动化检测时的检测结果系统误差修正过程为：首先被测光电编码器（6）、永磁同步电机（8）和增量式高精度编码器（4）同轴连接，然后集成触摸屏（12）向数据采集及总控设备（10）发送指令，电机驱动器（11）根据数据采集及总控设备（10）接收的指令控制永磁同步电机（8），并带动被测光电编码器（6）、增量式高精度编码器（4）同步转动；然后数据采集及总控设备（10）采集永磁同步电机（8）的旋转角度数据x和被测光电编码器（6）角度数据y，数据采集及总控设备（10）根据检测结果系统误差修正公式（三），利用光电编码器角度误差自动检测系统的系统误差J与永磁同步电机旋转角度x的函数关系，计算得到系统误差修正后的光电编码器角度误差
R=y-x+J （三）。
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