CN110617785A - 基于调制周期光电检测的转盘偏心误差测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供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，利用转盘每个检测周期值计算偏心位置、并取多个转周的平均值和初位角校正以提高精度，为转盘类部件的同轴调节提供依据。该装置简便、易于操作，方法易实现、精度高，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。

Description

基于调制周期光电检测的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。

现有转盘类部件的直接偏心测量方法有(1)二维坐标测量法，如黄劼等(机器视觉精密测量系统研究[J].光学技术,2004,30(4):491-495)、张云辉等(基于CCD摄像机恢复空间Z坐标方法的研究[J].微计算机信息,2008,24:269-270)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，如李俊峰等(基于三坐标测量的蜗杆安装偏心的补偿算法[J].新技术新工艺,2010,1:34-37)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。对于转盘类部件的间接测量，通常针对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，有人采用光电检测技术，如：(1)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。(2)何平安等(GPT-1型光栅偏心调整检验仪[J]2003,24(2),171-174)、艾晨光等(基准圆光栅偏心检测及测角误差补偿[J].光学精密工程,2012,11:2479-2484)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2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2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基于调制周期光电检测的转盘偏心误差测量方法，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：

基于调制周期光电检测的转盘偏心误差的测量方法，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，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，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＝θ₀+β，初位偏心位置角，为测量零位时转盘在转动方向上的第一个刻线或齿的起始边O’C与OO’的夹角，夹角和转速均以逆时针为正。

其中θ₀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OA的夹角；β为初位角：测量零位时转盘在转动方向上的第一个刻线或齿的起始边O’C与OA的夹角，安装零位销3时，使β>0，且尽量使之接近0，即O’C通过A点。

其中：α为当O’C在调制盘以转轴O转动过程中从测量零位转到通过A点时，转轴O转过的角度，单位为弧度。

基于调制周期光电检测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，开始计数，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，得计数值s₀，i＝1，计数器计数。计算α：

(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、根据AT(T_i,j)的增减性，计算被测件每个测量点对应的初位偏心位置角θ_i,j：

当AT(T_i,j)处于递减区间时，

当AT(T_i,j)处于递增区间时，

h、计算偏心量e：

其中：a为周期光电对管检测位置与旋转光闸机构转轴O的距离；f₀为转盘的转速(Hz)；

i、平均和初位角校正计算偏心位置θ₀：

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连续的周期值，计算偏心量和偏心位置。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为测量时被测转盘转至第一个刻线或齿的起始边(O’C过A点)示意图

图5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。

基于调制周期光电检测的转盘偏心误差的测量方法，采用旋转光闸调制周期光电检测装置由上位机或外设、光电检测电路、旋转光闸机构三部分组成，如图1所示。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2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4(A)，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9经微处理器单元10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，通过电源线稳流电源7与直流电机6相连，电机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)关系如图2和3所示，三者共面。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OA的夹角θ₀为偏心位置(角)。

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为转盘的转速(Hz)；θ＝θ₀+β，初位偏心位置角弧度，为测量零位时转盘在转动方向上的第一个刻线或齿的起始位置C和转盘轴心连线O’C与OO’的夹角，夹角和转速均以逆时针为正。

其中β为初位角：测量零位时转盘在转动方向上的第一个刻线或齿的起始边O’C与OA的夹角，安装零位销3时，使β>0，且尽量使之接近0，即O’C通过A点。如图2、4所示：

其中：α为当O’C在调制盘以转轴O转动过程中转到通过A点时，转轴O转过的角度，单位为rad。如图4所示。

基于调制周期光电检测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，对调制信号的第一个有效沿计数，得s₀，可得：

之后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，n≥8，n越大，所测结果的精度越高)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。实现流程如图5所示，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；设置当前测量的周顺序号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，开始计数，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(对应转盘上刻线或齿的起始边)判断每个调制整周期是否开始或结束，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，得s₀，计算α；i＝1，计数器重新计数；

(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，为测量周数的顺序号；

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、根据AT(T_i,j)的增减性，计算被测件每个测量点对应的初位偏心位置角θ_i,j：

当AT(T_i,j)处于递减区间时，

当AT(T_i,j)处于递增区间时，

h、计算偏心量e和偏心位置θ₀：

其中：a为周期光电对管检测位置与旋转光闸机构转轴O的距离；f₀为转盘的转速(Hz)；

i、结束。

Claims (2)

1.一种基于调制周期光电检测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，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，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＝θ₀+β，初位偏心位置角，为测量零位时转盘在转动方向上的第一个刻线或齿的起始边O’C与OO’的夹角，夹角和转速均以逆时针为正，其中θ₀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OA的夹角；β为初位角：测量零位时转盘在转动方向上的第一个刻线或齿的起始边O’C与OA的夹角，安装零位销(3)时，使β>0，且尽量使之接近0，即O’C通过A点，

其中：α为当O’C在调制盘以转轴O转动过程中从测量零位转到通过A点时，转轴O转过的角度，单位为弧度。

2.按照权利要求1所述的基于调制周期光电检测的转盘偏心误差测量方法，其特征在于，微处理器器单元(10)在接收到有效的零位检测信号开始，以计数频率f_c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s，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，利用连续周期的累计平均求得转盘偏心量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，n≥8，n越大，所测结果的精度越高，m≥1；设置当前测量的周顺序号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，开始计数，进入步骤c；否则，重复此步骤；

c、根据调制信号是否为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种情况执行操作：

(1)若j≤m，且i＝0，即调制信号第1个周期的开始，得s₀，i＝1，计数器重新计数；计算α：

(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、根据AT(T_i,j)的增减性，计算被测件每个测量点对应的初位偏心位置角θ_i,j：

当AT(T_i,j)处于递减区间时，

当AT(T_i,j)处于递增区间时，

h、计算偏心量e：

i、平均和初位角校正计算偏心位置θ₀：

j、结束。