CN110617784B - 转盘偏心误差测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于调制周期光电检测的转盘偏心误差测量方法，采用旋转光闸的调制信号周期光电检测装置，通过计数器计数连续测量转盘调制信号在每个调制周期的周期值，利用转盘一周内检测周期值的变化量计算偏心量、利用转盘半周内检测周期值累计值计算偏心位置，为转盘类部件的同轴调节提供依据。为转盘类部件偏心误差检测提供了高效、高精度的测量装置和方法，适用于圆形光栅、机械调制盘、光电编码器码盘等圆周上具有均匀分布的刻线或齿的转盘零件的刻线圆周或部件安装的偏心误差测量。该装置精度高，操作简便、方法易实现、造价低廉。

Description

转盘偏心误差测量方法

技术领域

本发明涉及一种圆形光栅、机械调制盘、光电编码器码盘等转盘部件安装误差的测量方法。尤其是圆周上具有均匀分布的刻线或齿的转盘零件的刻线圆周或部件安装的偏心量和偏心位置的测量方法。

背景技术

转盘(旋转圆盘)类部件安装时存在与其转轴的安装误差，主要是由于转盘类零件与转轴的偏心引起的同轴度误差。该误差直接影响转盘的工作稳定性和输出信号的精度，因此该误差的检测与调试是生产转盘类部件必要的工作。

现有转盘类部件的偏心测量方法有(1)二维坐标测量法，黄劼(2004)、张云辉(2008)等利用CCD工业相机、显微镜镜头获得被测件的部分或整圆周边缘轮廓的数据，再通过最小二乘法确定被测圆的中心坐标，进而计算偏心量及其偏心位置，该方法的精度主要依靠于CCD相机高像素与边缘提取算法，具有一定的局限性；(2)三坐标测量法，2010年李俊峰等通过三坐标测量仪获取物体圆周边缘坐标，建立部件的空间坐标系，利用最小二乘法确定圆心，从而计算其偏心量，该方法精度高，但仪器成本较高且依赖仪器的边缘提取方法。以上方法均基于最小二乘法确定圆心，且精度取决于测量圆周边缘的仪器精度。

对于圆周上具有均匀分布的刻线或齿的转盘零件，其刻线圆周或部件安装的偏心还有人采用光电检测技术。如：测量匀速转动的转盘刻线或齿位置处的光调制信号，分析信号频率变化的幅度，从而定性地确定偏心的大小。这种方法简单，但无法获得定量的偏心值，且无法得到偏心位置，无法指导偏心调节。何平安 (2003)、艾晨光(2012)等提出了一种圆光栅偏心误差的检测方法：采用圆光栅对径两端的双读数头获取两路正弦信号，通过示波器将两路正弦信号正交合成为李萨如图形确定两路信号相位差，从而检测出圆光栅的偏心距及偏心方向。该方法可用于高密度均匀刻线圆盘的偏心误差测量，但要有匹配的读数头获取两路正弦信号，以及示波器或其他可合成李萨如图形的设备，而且对于刻线或齿数较少的转盘零件，测量精度不高。

发明内容

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种采用旋转光闸的调制信号周期的光电检测装置，以调制信号连续的各周期值的变化量和累计值测量转盘类部件安装偏心量和偏心位置的方法，为转盘类部件的同轴调节提供依据。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

当转盘类部件以转轴O匀速转动时，转盘零件的第i个刻线或齿距在调制信号周期光电检测装置的检测位置A转过时间T_i的方程为：

其中：i＝1,2，…，n，为转盘零件上刻线或齿距即调制信号周期的顺序号；n为转盘零件的刻线或齿的个数；f₀为转轴O的转速Hz，a为检测位置A与转轴O距离，e为转盘轴心相对于转轴O的偏心量，θ为转盘在测量零位时的偏心位置角，角度和转速均以逆时针为正。

光电检测调制周期变化量和累计值的转盘偏心误差测量方法，是微处理器单元10在接收到零位检测信号有效开始，进行每个调制信号整周期的计数，获得调制信号在每个整周期内的计数值s，其计数频率为f_c，重复进行连续的m·n个(n 为转盘零件的盘齿或刻线的个数)周期后，获得m·n个调制周期的周期计数值 s_i,j；通过计算求得转盘偏心量e和偏心位置θ₀，

包括以下步骤：

a、光电检测装置设置测量的周数m值、转盘零件的盘齿数或刻线数n，m≥ 1；设置当前测量周的顺序号j＝1；当前调制信号的测量周期数i＝0；计数器清0；

b、根据零位检测信号是否有效判断是否开始测量，若判断有效，则计数器控制信号置有效，进入步骤c；否则，重复此步骤；

c、根据调制信号是否周期起点判断每个调制整周期是否开始或结束，周期起点是指调制信号的有效变化沿——一个上升沿(或下降沿)，若不是，则重复判断，若是，则根据下述4种情况执行相应的操作：

(1)若j≤m，且i＝0，即调制信号第1个周期的开始，i＝1，计数器计数；

(2)若j≤m，且0<i<n，即调制信号第i个周期的结束，获得第i个周期的计数值s_i,j，计数器清0；调制信号第i+1个周期的开始，i＝i+1，计数器重新计数；

(3)若j<m，且i＝n，即调制信号第n个周期的结束，获得第n个周期的计数值s_n,j，计数器清0；进入下一周测量，j＝j+1，调制信号第1个周期的开始，i＝1；计数器重新计数；

(4)若j＝m且i＝n，即调制信号第m周、第n个周期的结束，获得第m周、第n个周期的计数值s_n,m；

d、判断检测是否结束：若j＝m且i＝n，则检测结束，数据s_i,j上传给上位机，转至步骤e；否则，返回步骤c；

e、计算调制信号每个周期的周期值：

其中：f_c为定时器计数频率；i＝1,2，…，n，为调制信号周期的顺序号；j＝1,2，…，m，为测量的周数顺序号；

f、计算被测件每周(j)内的周期变化量ΔT_j：

其中：max和min分别为最大值、最小值函数；

g、计算被测件偏心量e：

其中：a为调制光电对管检测位置A与旋转光闸机构转轴O的距离；

h、计算每个测量周的偏心位置角θ_j：

当n为偶数时：

当n为奇数时：

其中：

i、平均计算转盘偏心位置角θ₀：

j、误差比较确定θ

取i＝1，分别以θ＝θ₀和θ＝π-θ₀代入式(1)，得T和T’，取二者中与步骤e中的T_1,j误差较小的值对应的角度为转盘偏心位置角θ；

k、结束。

有益效果：本发明提供一种转盘类部件安装偏心量和偏心位置的测量方法，为转盘类部件的同轴调节提供依据。采用光电检测装置，通过直流稳流驱动被测转盘的同轴电机获得调制信号，通过光电检测调制信号周期值，利用转盘一周内连续检测周期值的变化量计算偏心量、利用转盘半周内连续检测周期值的累计值计算偏心位置。与现有的方法比较，检测装置简单、测量速度快、检测精度高、检测成本低。

附图说明:

图1为旋转光闸调制周期光电检测装置结构图

图2为被测转盘安装位置正视图

图3为被测转盘安装位置俯视图

图4为调制周期光电检测的转盘偏心误差测量方法流程图

1转盘，2轴，3零位销，4检测位置A，5调制光电对管，6电机，7稳流电源，8零位光电对管，9整形电路，10微处理器单元，11上位机/外设

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

光电检测调制周期变化量和累计值的转盘偏心误差的测量方法，旋转光闸调制周期光电检测装置,如图1所示，由上位机或外设、光电检测电路、旋转光闸机构三部分组成。光电检测电路通过数据通信接口或数据线和上位机或键盘和显示的外设连接，通过两个光电对管分别对准旋转光闸机构的零位销3和被测转盘检测位置A(4)与旋转光闸机构连接，A为转盘零件的盘齿或刻线的位置。光电检测电路由整形电路9分别与零位光电对管8和调制光电对管5连接，整形电路8 经处理器单元10通过信号线与上位机11连接。旋转光闸机构由被测转盘类部件的转轴O与直流电机同轴固定连接，电源线经稳流电源7与直流电机6相连，直流电机6与转盘部件的连接轴2上设有零位销3，连接轴2轴心O、零位销3轴心线B与检测位置A(4)在测量的初始位置(零位)三者为共面关系，如图2 和3所示。O与A平行，距离为a，B与O垂直。转盘的实际轴心为O’，在转盘平面内，如图2所示，O’与O的距离e为转盘的偏心量，在测量的零位直线 OO’与O’A的夹角θ为偏心位置(角)。安装时要保证测量零位时检测位置A在转盘一个刻线或齿的起始边上。

当转盘类部件以转轴O匀速转动时，转盘零件的第i个刻线或齿距在检测位置A转过时间T_i的方程为：

其中：i＝1,2，…，n，n为转盘零件的第i个刻线或齿的个数；f₀为转轴O的转速(Hz)，夹角和转速均以逆时针为正。

光电检测调制周期变化量和累计值的转盘偏心误差测量方法，是微处理器单元10在接收到零位检测信号有效开始，进行每个调制信号整周期的计数，获得调制信号在每个整周期内的计数值s，其计数频率为f_c，重复进行连续的m·n个周期后，获得m·n个调制周期的周期计数值s_i,j；(n为转盘零件的盘齿或刻线的个数，n≥8，n越大，所测结果的精度越高)，通过计算求得转盘偏心量e和偏心位置θ₀；包括以下步骤：

a、光电检测装置设置测量的周数m值、转盘零件的盘齿数或刻线数n，m≥ 1；设置当前测量周的顺序号j＝1；当前调制信号的测量周期数i＝0；计数器清0；

b、根据零位检测信号是否有效判断是否开始测量，若判断有效，则计数器控制信号置有效，进入步骤c；否则，重复此步骤；

c、根据调制信号是否周期起点判断每个调制整周期是否开始或结束，周期起点是指调制信号的有效变化沿——一个上升沿(或下降沿)，若不是，则重复判断，若是，则根据下述4种情况执行相应的操作：

(1)若j≤m，且i＝0，即调制信号第1个周期的开始，i＝1，计数器计数；

(2)若j≤m，且0<i<n，即调制信号第i个周期的结束，获得第i个周期的计数值s_i,j，计数器清0；调制信号第i+1个周期的开始，i＝i+1，计数器重新计数；

(3)若j<m，且i＝n，即调制信号第n个周期的结束，获得第n个周期的计数值s_n,j，计数器清0；进入下一周测量，j＝j+1，调制信号第1个周期的开始，i＝1；计数器重新计数；

(4)若j＝m且i＝n，即调制信号第m周、第n个周期的结束，获得第m周、第n个周期的计数值s_n,m；

d、判断检测是否结束：若j＝m且i＝n，则检测结束，数据s_i,j上传给上位机，转至步骤e；否则，返回步骤c；

e、计算调制信号每个周期的周期：

其中：f_c为定时器计数频率；i＝1,2，…，n，为调制信号周期的顺序号；j＝1,2，…，m，为测量的周数顺序号；

f、计算被测件每个测量周(j)内的周期变化量ΔT_j：

其中：max和min分别为最大值、最小值函数；

g、计算被测件偏心量e：

其中：a为调制光电对管检测位置A与旋转光闸机构转轴O的距离；

h、计算每个测量周的偏心位置角θ_j：

当n为偶数时：

当n为奇数时：

其中：

i、平均计算转盘偏心位置角预测值θ₀：

j、误差比较确定θ

取i＝1，分别以θ＝θ₀和θ＝π-θ₀代入式(1)，得T和T’，取二者中与步骤e中的T_1,j误差较小的值对应的角度为转盘偏心位置角θ；

k、结束。

Claims (1)

1.一种光电检测调制周期变化量和累计值的转盘偏心误差测量方法，其特征在于，当转盘类部件以转轴O匀速转动时，转盘零件的第i个刻线或齿距在调制信号周期光电检测装置的检测位置A，转过时间T_i的方程为：

其中：i＝1,2，…，n，为转盘零件上刻线或齿距即调制信号周期的顺序号；n为转盘零件的刻线或齿的个数；f₀为转轴O的转速，单位为Hz；a为检测位置A与转轴O距离；e为转盘轴心O’相对于转轴O的偏心量；θ为转盘轴心O’在测量零位时的偏心位置角，即在测量零位时直线OO’与O’A的夹角；角度和转速均以逆时针为正；

微处理器单元(10)在接收到零位检测信号有效开始，进行每个调制信号整周期的计数，获得调制信号在每个调制周期内的计数值，重复进行连续的m·n个周期后，获得m·n个调制周期的周期计数值s_i,j；计算每个周期的周期T_i,j和每周的周期变化量ΔT_j，用ΔT_j计算转盘每周的偏心量e，利用转盘半周内检测周期值累计值计算偏心位置θ；

包括以下步骤：

a、光电检测装置设置测量的周数m值、转盘零件的盘齿数或刻线数n，n≥8，n越大，所测结果的精度越高，m≥1；设置当前测量周的顺序号j＝1；当前调制信号的测量周期数i＝0，计数器清0；

b、根据零位检测信号是否有效判断是否开始测量，若判断有效，则计数器控制信号置有效，进入步骤c；否则，重复此步骤；

c、根据调制信号是否是周期起点判断每个调制整周期是否开始或结束，周期起点是指调制信号的有效变化沿，即一个上升沿或下降沿，若不是，则重复判断，若是，则根据下述4种情况执行相应的操作：

(1)若j≤m，且i＝0，即调制信号第1个周期的开始，i＝1，计数器计数；

(2)若j≤m，且0<i<n，即调制信号第i个周期的结束，获得第i个周期的计数值s_i,j，计数器清0；调制信号第i+1个周期的开始，i＝i+1，计数器重新计数；

(3)若j<m，且i＝n，即调制信号第n个周期的结束，获得第n个周期的计数值s_n,j，计数器清0；进入下一周测量，j＝j+1，调制信号第1个周期的开始，i＝1；计数器重新计数；

(4)若j＝m且i＝n，即调制信号第m周、第n个周期的结束，获得第m周、第n个周期的计数值s_n,m；

d、判断检测是否结束：若j＝m且i＝n，则检测结束，数据s_i,j上传给上位机，转至步骤e；否则，返回步骤c；

e、计算调制信号每个周期的周期值：

其中：f_c为定时器计数频率；i＝1,2，…，n，为调制信号周期的顺序号；j＝1,2，…，m，为测量的周数顺序号；

f、计算被测件每周(j)内的周期变化量ΔT_j：

其中：max和min分别为最大值、最小值函数；

g、计算被测件偏心量e：

h、计算偏心位置角θ_j：

当n为偶数时：

当n为奇数时：

其中：

i、平均计算转盘偏心位置角预测值θ₀：

j、误差比较确定θ

取i＝1，分别以θ＝θ₀和θ＝π-θ₀代入式(1)，得T和T’，取二者中与步骤e中的T_1,j误差较小的值对应的角度为转盘偏心位置角θ；

k、结束。

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