CN109990823A - 用于检测光电编码器精度的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于检测光电编码器精度的检测装置及检测方法，该装置包括支架、基准编码器、永磁同步电机、电机驱动器、控制设备；待测光电编码器安装固定在支架的上平面上；基准编码器安装固定在支架的下平面上，在基准编码器的中间贯穿有传动轴，传动轴的一端通过联轴节与待测光电编码器上的轴同轴连接，传动轴的另一端安装有第一同步轮；永磁同步电机安装在支架的下平面上，永磁同步电机的输出轴上安装第二同步轮，第二同步轮与第一同步轮通过同步带连接；电机驱动器与永磁同步电机电连接；控制设备与基准编码器、待测光电编码、永磁同步电机电连接。该装置能够实现光电编码器精度的自动化测量，避免人工检测过程繁琐、效率低的问题。

Description

用于检测光电编码器精度的检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及光电编码器技术领域，特别涉及一种用于检测光电编码器精度的检测装置和检测方法。

背景技术

光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字式角位移传感器。具有精度高、测量范围广、体积小、重量轻、使用可靠、易于维护等优点，被广泛应用在光电经纬仪、数控机床、高精度闭环调速系统等精密测量、自动化检测及工业控制等领域。

光电编码器精度是光电编码器的重要技术指标之一，在光电编码器研制和生产过程中，需要对其精度进行多次检测。现有光电编码器精度检测的常用方法有多面棱体-自准直仪法和多齿分度台法。多面棱体-自准直仪法是将多面棱体与待测光电编码器同轴连接，通过微调装置带动待测光电编码器和多面棱体旋转到待检测位置，之后通过自准直仪对多面棱体转角的测量，实现待测光电编码器精度的标定。多齿分度台法是将多齿分度盘与待测光电编码器固定在支架上，联轴节同轴连接，转动待测光电编码器与多齿分度台到待检测位置，读取多齿分度台的示数，计算待测光电编码器精度。然而，现有的这两种检测方式均需要人工手动操作完成，过程繁琐、效率低、容易引入人工读数误差,对检测结果影响较大，在一定程度上限制了光电编码器生产与检测效率，所以对光电编码器精度自动化检测的研究已迫在眉睫。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种用于检测光电编码器精度的检测装置，以此实现光电编码器精度的自动化测量，避免传统人工检测过程繁琐、效率低、容易引入人工读数误差，检测结果不够准确的技术问题。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于检测光电编码器精度的检测装置，包括支架、基准编码器、永磁同步电机、电机驱动器、控制设备；其中，所述支架的上平面与下平面平行设置，待测光电编码器安装固定在支架的上平面上；所述基准编码器安装固定在支架的下平面上，在基准编码器的中间贯穿有传动轴，传动轴的一端通过联轴节与待测光电编码器上的轴同轴连接，传动轴的另一端穿过支架的下平面延伸到支架外侧，在传动轴上安装有第一同步轮；所述永磁同步电机安装在支架的下平面上，永磁同步电机的输出轴穿过支架的下平面延伸到支架外侧，输出轴上安装第二同步轮，所述第二同步轮与第一同步轮通过同步带连接；所述电机驱动器与永磁同步电机电连接，用于控制永磁同步电机转动；所述控制设备与基准编码器、待测光电编码、永磁同步电机电连接，用于发送永磁同步电机控制指令、接收基准编码器和待测光电编码器数据，并对采集数据处理得到待测光电编码器的精度。

作为本发明的优选，为实现智能控制检测装置，该检测装置还包括集成触摸屏、计算机，所述控制设备与集成触摸屏、计算机电连接，用于与集成触摸屏通讯，通过集成触摸屏操控控制设备，控制设备输出的检测结果传输至集成触摸屏进行显示；同时将计算得到的待测光电编码器的检测数据和检测结果上传至计算机进行存储。

作为本发明的进一步优选，所述支架包括支架上平面、支架下平面、四个支撑柱，所述四个支撑柱分别通过螺栓与支架上平面、支架下平面固连，利用螺栓的松紧程度调节支撑柱，使得支架上平面与支架下平面平行。

作为本发明的进一步优选，所述待测光电编码器利用压紧装置固定在支架上平面。

作为本发明的进一步优选，所述的基准编码器分辨率是待测光电编码器分辨率的3倍以上；所述的基准编码器与待测光电编码器的轴线位于同一直线，所述永磁同步电机的轴线与基准编码器、待测光电编码器的轴线不位于同一直线。

作为本发明的更进一步优选，所述控制设备包括：微处理器、电机控制电路、计算机通讯电路、基准编码器数据采集电路、待测光电编码器数据采集电路、集成触摸屏通讯电路；所述微处理器与电机控制电路、计算机通讯电路、基准编码器数据采集电路、待测光电编码器数据采集电路、集成触摸屏通讯电路电连接，用于发送永磁同步电机控制指令、与计算机通讯传输检测数据、接收基准编码器和待测光电编码器数据、与集成触摸屏通讯，传输控制指令以及对采集数据处理得到待测光电编码器的精度；

所述电机控制电路与电机驱动器和微处理器相连，根据微处理器的电机控制指令对电机驱动器发送控制信号，以此控制永磁同步电机的旋转；

所述计算机通讯电路与计算机和微处理器相连，将微处理器计算得到的待测光电编码器的检测数据和检测结果上传至计算机，计算机通讯电路与微处理器进行串口通讯，计算机通讯电路与计算机进行以太网通讯；

所述基准编码器数据采集电路与基准编码器和微处理器相连，用于采集所述基准编码器输出的数字量；

所述待测光电编码器数据采集电路与待测光电编码器和微处理器相连，用于采集所述待测光电编码器输出的数字量；

所述集成触摸屏通讯电路与集成触摸屏和微处理器相连，用于集成触摸屏指令传输至所述微处理器，并将微处理器输出的检测结果传输至集成触摸屏进行显示。

本发明的第二个目的在于提供一种采用上述检测装置对光电编码器精度进行检测的方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、在集成触摸屏上输入待测光电编码器的通讯参数及控制参数，设置完成后控制设备向电机驱动器发送运动控制指令，控制永磁同步电机开始运动，通过第二同步轮、同步带、第一同步轮带动基准编码器旋转，基准编码器通过联轴节带动待测光电编码器旋转；

步骤S2、在待测光电编码器量程内共有n个检测点，所对应的待测光电编码器输出的数字量为D₁...D_n，控制设备控制永磁同步电机以指定速度V₁运行，同时采集待测光电编码器的数据；当采集到待测位置D_n的前一分辨率数据D_n-1时，控制设备控制改变永磁同步电机转速以指定速度V₂运动，其中V₂<V₁，当控制设备采集到数据D₁...D_n时，同时也采集到基准编码器数据J₁...J_n；

步骤S3、将n组待测光电编码器数据D₁...D_n和基准编码器数据J₁...J_n带入式(1)中，得到n个待测光电编码器角度误差值，存储于控制设备中，式(1)为：

W_y(n)＝(J_n-J₁)-(D_n-D₁) (1)

式(1)中，J₁为第一个测量点的基准编码器数据，J_n为第n个测量点的基准编码器数据,D₁位第一个检测点的待测光电编码器数据,D_n为第n个检测点的待测光电编码器数据；

步骤S4、由于待测光电编码器角度误差值W_y(n)可以展开成多次谐波叠加的形式，因此式(1)W_y(n)也可表示为式(2)：

式(2)中，r为谐波次数，R为谐波的最高次数n/2，T_s为控制设备的采样周期2π/n，n测量点数，f ₀为基波频率1/2π，α₀为基波幅值，α_r为r次谐波的幅值，φ_r为r次谐波对应的相位，通过对待测光电编码器角度误差值W_y(n)进行快速傅里叶变换(FFT)计算，求取二次谐波的幅值a₂和相位φ₂，带入联轴节角位移传递误差修正式(3)中：

W_x(n)＝W_y(n)-a₂sin(4πrf₀T_s+φ₂) (3)

步骤S5、将联轴节角位移传递误差修正后的数据W_x(n)带到式(4)得到待测光电编码器的精度，式(4)为：

式(4)中，W_x(n)_max为序列W_x(n)最大值，W_x(n)_min为序列W_x(n)最小值；

步骤S6、将数据处理结果显示在集成触摸屏，将检测参数、检测数据及检测结果上传至计算机进行管理与存储。

本发明的优点和有益效果是：

(1)本发明提供的检测装置利用控制设备控制永磁同步电机的运动，通过同步轮-同步带传动机构使得永磁同步电机带动待测光电编码器和基准编码器同步旋转，同时对待测光电编码器和基准编码器数据进行采集，对采集的数据进行处理得到待测光电编码器的精度数据，相比现有的光电编码器手动精度检测系统和利用自准直仪-多面棱体的人工光电编码器精度检测方法而言，本发明实现了对光电编码器精度的自动检测，利用传动机构实现了检测装置的结构优化，减小了检测装置的体积，大大提高光电编码器精度的检测效率。

(2)本发明通过对永磁同步电机的位置控制和联轴节角位移传递误差修正，有效提高了待测光电编码器的检测精度。

附图说明

图1是本发明检测装置的结构示意图。

图2是本发明控制设备的结构框图。

图3是本发明待测光电编码器与基准编码器数据采集电路图。

图4是本发明电机控制电路图。

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用于检测光电编码器精度的检测装置，实现对待测光电编码器精度自动化测量，通过电机的位置控制和对检测结果中的联轴节角位移传递误差修正，提高了检测精度。

实施例1用于检测光电编码器精度的检测装置

参见图1，一种用于检测光电编码器精度的检测装置，该装置包括待测光电编码器1、支架上平面2、联轴节3、支撑柱4、支架下平面5、基准编码器6、第一同步轮7、同步带8、第二同步轮9、永磁同步电机10、压紧装置11、螺栓12、电机驱动器13、控制设备14、集成触摸屏15、计算机16；

所述支架上平面2、支架下平面5、螺栓12与四个支撑柱4共同构成支架，利用螺栓12的松紧程度调节支撑柱4，使得支架上平面2与支架下平面5平行；

所述待测光电编码器1利用压紧装置11固定在支架上平面2上；所述的基准编码器6和永磁同步电机10的法兰盘固定在支架下平面5上，基准编码器6分辨率是待测光电编码器1分辨率的3倍以上，在基准编码器6的中间贯穿有传动轴，传动轴的一端通过联轴节3与待测光电编码器1上的轴同轴连接，使基准编码器6与待测光电编码器1的轴线位于同一直线，基准编码器传动轴的另一端穿过支架下平面5延伸到支架外侧，在传动轴上安装有第一同步轮7；所述永磁同步电机10的输出轴穿过支架下平面5延伸到支架外侧，输出轴上装有第二同步轮9，第二同步轮9与第一同步轮7用同步带8连接，永磁同步电机的轴线与基准编码器、待测光电编码器的轴线不位于同一直线；所述电机驱动器13与永磁同步电机10电连接，用于控制永磁同步电机转动；所述控制设备14与待测光电编码器1、基准编码器6、电机驱动器13、集成触摸屏15、计算机16相连。

进一步的，所述联轴节3为平行线型联轴节，所述电机驱动器为禾川X3E型电机驱动器；所述集成触摸屏为HMI智能集成触摸屏，本发明采用的所有部件均可采用现有部件实现。

参阅图2，所述控制设备14包括：微处理器141(STM32F103低功耗芯片)、基于AM26LS31的电机控制电路142、基于DM9051的计算机通讯电路143、基于MAX490的基准编码器数据采集电路144、基于MAX490的待测光电编码器数据采集电路145、集成触摸屏通讯电路146；所述微处理器141与电机控制电路142、计算机通讯电路143、基准编码器数据采集电路144、待测光电编码器数据采集电路145、集成触摸屏通讯电路146电连接，用于发送永磁同步电机控制指令、与计算机通讯传输检测数据、接收基准编码器和待测光电编码器数据、与集成触摸屏通讯，传输控制指令以及对采集数据处理得到待测光电编码器的精度；

所述基于AM26LS31的电机控制电路142与电机驱动器13和微处理器141相连，根据微处理器的电机控制指令对电机驱动器发送控制信号，以此控制永磁同步电机10的旋转，本专利选用的是AM26LS31差分信号驱动芯片，将STM32F103微处理器的单端控制信号转换为差分信号，对永磁同步电机进行控制，其电路图如图4所示，图4中PULS、SIGN接口与微处理器连接，PLS、DIR接口与电机驱动器连接；该电路也可采用现有电机控制电路；

所述基于DM9051的计算机通讯电路143与计算机16和微处理器141相连，将微处理器141计算得到的待测光电编码器的检测数据和检测结果上传至计算机，计算机通讯电路与微处理器进行串口通讯，计算机通讯电路与计算机进行以太网通讯；该电路同样采用现有计算机通讯电路即可实现；

所述基于MAX490的基准编码器数据采集电路144与基准编码器6和微处理器141相连，用于采集所述基准编码器1输出的数字量；图3中RXD、TXD是微处理器的接收和发送接口，A、B、Z、Y接口用于与基准编码器连接；

所述基于MAX490的待测光电编码器数据采集电路145与待测光电编码器1和微处理器141相连，用于采集所述待测光电编码器1输出的数字量；图3中RXD、TXD是微处理器的接收和发送接口，A、B、Z、Y接口用于与待测光电编码器连接；该电路同样可以采用现有光电编码器数据采集电路即可实现；

所述集成触摸屏通讯电路146与集成触摸屏45和微处理器141相连，用于集成触摸屏15指令传输至所述微处理器141，并将微处理器141输出的检测结果传输至集成触摸屏15进行显示，该电路同样采用现有集成触摸屏通讯电路即可。

实施例2采用上述检测装置对光电编码器精度进行检测的方法

本发明提供的检测方法，具体过程如下：

步骤S1、在集成触摸屏15上输入待测光电编码器的通讯参数及控制参数，如波特率、有无奇偶校验位、数据帧格式、运动速度、运动方向等，设置完成后控制设备向电机驱动器发送运动控制指令，控制永磁同步电机10开始运动，通过第二同步轮9、同步带8、第一同步轮7带动基准编码器6旋转，基准编码器6通过联轴节3带动待测光电编码器1旋转；

步骤S2、在待测光电编码器量程内共有n个检测点，所对应的待测光电编码器输出的数字量为D₁...D_n，控制设备14控制永磁同步电机以指定速度V₁运行(V₁的速度只有满足能够让检测装置正常稳定运行即可，没有特殊要求)，同时采集待测光电编码器的数据；当采集到待测位置D_n的前一分辨率数据D_n-1时，控制设备控制改变永磁同步电机转速以指定速度V₂运动，其中V₂<V₁(V₂的速度同样需要满足能够让检测装置正常稳定运行)，当控制设备采集到数据D₁...D_n时，同时也采集到基准编码器数据J₁...J_n；

步骤S3、将n组待测光电编码器数据D₁...D_n和基准编码器数据J₁...J_n带入式(1)中，得到n个待测光电编码器角度误差值，存储于控制设备中，式(1)为：

W_y(n)＝(J_n-J₁)-(D_n-D₁) (1)

式(1)中，J₁为第一个测量点的基准编码器数据，J_n为第n个测量点的基准编码器数据,D₁位第一个检测点的待测光电编码器数据,D_n为第n个检测点的待测光电编码器数据；

步骤S4、由于待测光电编码器角度误差值W_y(n)可以展开成多次谐波叠加的形式，因此式(1)W_y(n)也可表示为式(2)：

式(2)中，r为谐波次数，R为谐波的最高次数n/2，T_s为控制设备的采样周期2π/n，n测量点数，f₀为基波频率1/2π，α₀为基波幅值，α_r为r次谐波的幅值，φ_r为r次谐波对应的相位，通过对待测光电编码器角度误差值W_y(n)进行快速傅里叶变换(FFT)计算，求取二次谐波的幅值a₂和相位φ₂，带入联轴节角位移传递误差修正式(3)中：

W_x(n)＝W_y(n)-a₂sin(4πrf₀T_s+φ₂) (3)

步骤S5、将联轴节角位移传递误差修正后的数据W_x(n)带到式(4)得到待测光电编码器的精度，式(4)为：

式(4)中，W_x(n)_max为序列W_x(n)最大值，W_x(n)_min为序列W_x(n)最小值；

步骤S6、将数据处理结果显示在集成触摸屏，将检测参数、检测数据及检测结果上传至计算机进行管理与存储。

Claims (7)

1.一种用于检测光电编码器精度的检测装置，其特征在于，包括支架、基准编码器、永磁同步电机、电机驱动器、控制设备；其中，所述支架的上平面与下平面平行设置，待测光电编码器安装固定在支架的上平面上；所述基准编码器安装固定在支架的下平面上，在基准编码器的中间贯穿有传动轴，传动轴的一端通过联轴节与待测光电编码器上的轴同轴连接，传动轴的另一端穿过支架的下平面延伸到支架外侧，在传动轴上安装有第一同步轮；所述永磁同步电机安装在支架的下平面上，永磁同步电机的输出轴穿过支架的下平面延伸到支架外侧，输出轴上安装第二同步轮，所述第二同步轮与第一同步轮通过同步带连接；所述电机驱动器与永磁同步电机电连接，用于控制永磁同步电机转动；所述控制设备与基准编码器、待测光电编码、永磁同步电机电连接，用于发送永磁同步电机控制指令、接收基准编码器和待测光电编码器数据，并对采集数据处理得到待测光电编码器的精度。

2.权利要求1所述的一种用于检测光电编码器精度的检测装置，其特征在于，该检测装置还包括集成触摸屏、计算机，所述控制设备与集成触摸屏、计算机电连接，用于与集成触摸屏通讯，通过集成触摸屏操控控制设备，控制设备输出的检测结果传输至集成触摸屏进行显示；同时将计算得到的待测光电编码器的检测数据和检测结果上传至计算机进行存储。

3.权利要求1或2所述的一种用于检测光电编码器精度的检测装置，其特征在于，所述支架包括支架上平面、支架下平面、四个支撑柱，所述四个支撑柱分别通过螺栓与支架上平面、支架下平面固连，利用螺栓的松紧程度调节支撑柱，使得支架上平面与支架下平面平行。

4.权利要求1或2所述的一种用于检测光电编码器精度的检测装置，其特征在于，所述待测光电编码器利用压紧装置固定在支架上平面。

5.权利要求1或2所述的一种用于检测光电编码器精度的检测装置，其特征在于，所述的基准编码器分辨率是待测光电编码器分辨率的3倍以上。

6.权利要求2所述的一种用于检测光电编码器精度的检测装置，其特征在于，所述控制设备包括：微处理器、电机控制电路、计算机通讯电路、基准编码器数据采集电路、待测光电编码器数据采集电路、集成触摸屏通讯电路；所述微处理器与电机控制电路、计算机通讯电路、基准编码器数据采集电路、待测光电编码器数据采集电路、集成触摸屏通讯电路电连接，用于发送永磁同步电机控制指令、与计算机通讯传输检测数据、接收基准编码器和待测光电编码器数据、与集成触摸屏通讯，传输控制指令以及对采集数据处理得到待测光电编码器的精度；

所述电机控制电路与电机驱动器和微处理器相连，根据微处理器的电机控制指令对电机驱动器发送控制信号，以此控制永磁同步电机的旋转；

所述计算机通讯电路与计算机和微处理器相连，将微处理器计算得到的待测光电编码器的检测数据和检测结果上传至计算机，计算机通讯电路与微处理器进行串口通讯，计算机通讯电路与计算机进行以太网通讯；

所述基准编码器数据采集电路与基准编码器和微处理器相连，用于采集所述基准编码器输出的数字量；

所述待测光电编码器数据采集电路与待测光电编码器和微处理器相连，用于采集所述待测光电编码器输出的数字量；

所述集成触摸屏通讯电路与集成触摸屏和微处理器相连，用于集成触摸屏指令传输至所述微处理器，并将微处理器输出的检测结果传输至集成触摸屏进行显示。

7.采用权利要求6所述的检测装置对光电编码器精度进行检测的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤S1、在集成触摸屏上输入待测光电编码器的通讯参数及控制参数，设置完成后控制设备向电机驱动器发送运动控制指令，控制永磁同步电机开始运动，通过第二同步轮、同步带、第一同步轮带动基准编码器旋转，基准编码器通过联轴节带动待测光电编码器旋转；

步骤S2、在待测光电编码器量程内共有n个检测点，所对应的待测光电编码器输出的数字量为D₁...D_n，控制设备控制永磁同步电机以指定速度V₁运行，同时采集待测光电编码器的数据；当采集到待测位置D_n的前一分辨率数据D_n-1时，控制设备控制改变永磁同步电机转速以指定速度V₂运动，其中V₂<V₁，当控制设备采集到数据D₁...D_n时，同时也采集到基准编码器数据J₁...J_n；

步骤S3、将n组待测光电编码器数据D₁...D_n和基准编码器数据J₁...J_n带入式(1)中，得到n个待测光电编码器角度误差值，存储于控制设备中，式(1)为：

W_y(n)＝(J_n-J₁)-(D_n-D₁) (1)

式(1)中，J₁为第一个测量点的基准编码器数据，J_n为第n个测量点的基准编码器数据,D₁位第一个检测点的待测光电编码器数据,D_n为第n个检测点的待测光电编码器数据；

步骤S4、由于待测光电编码器角度误差值W_y(n)可以展开成多次谐波叠加的形式，因此式(1)W_y(n)也可表示为式(2)：

式(2)中，r为谐波次数，R为谐波的最高次数n/2，T_s为控制设备的采样周期2π/n，n测量点数，f₀为基波频率1/2π，α₀为基波幅值，α_r为r次谐波的幅值，φ_r为r次谐波对应的相位，通过对待测光电编码器角度误差值W_y(n)进行快速傅里叶变换(FFT)计算，求取二次谐波的幅值a₂和相位φ₂，带入联轴节角位移传递误差修正式(3)中：

W_x(n)＝W_y(n)-a₂sin(4πrf₀T_s+φ₂) (3)

步骤S5、将联轴节角位移传递误差修正后的数据W_x(n)带到式(4)得到待测光电编码器的精度，式(4)为：

式(4)中，W_x(n)_max为序列W_x(n)最大值，W_x(n)_min为序列W_x(n)最小值；

步骤S6、将数据处理结果显示在集成触摸屏，将检测参数、检测数据及检测结果上传至计算机进行管理与存储。