CN111238805A - 一种基于角位移与转速控制的驱动机构传动精度测试方法 - Google Patents

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韩建超
汪龙
赖小明
陈锡宝
高鹏
苏伟
李云
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Abstract

一种基于角位移与转速控制的驱动机构传动精度测试方法，通过由反射式圆光栅、准直仪、24面棱体、伺服电机组成的测试系统，由反射式圆光栅测量驱动机构输入端转角，由准直仪、24面棱体配合测量驱动机构输出端转角，以实时获取的转角信息为依据实现对驱动机构转速的自主闭环控制，能够完全实现自动化测量，尽量缩短单台设备的测试时间，在缩短测量时间的前提下，同时实现高效测量与高精度测量。

Description

一种基于角位移与转速控制的驱动机构传动精度测试方法
技术领域
本发明涉及一种基于角位移与转速控制的驱动机构传动精度测试方法，属于航天机械领域。
背景技术
随着航天航空技术的发展，航天航空产品对驱动机构性能要求的日益苛刻，驱动机构作为驱动单元，是机构产品实现基本运动功能的保证，是机构产品长寿命、高精度运行的关键，其可靠性设计始终贯穿于整个产品的研制过程，其中驱动机构的传动精度这项指标是研究人员关注的重点。
在现有的型号研制过程中，需要对目前航天驱动机构传动精度进行测试，驱动机构传动比范围要求较大，用驱动机构传动比的量级从10到103，数值范围很大；为了避免人为操作的因素，传动精度测试需要测试设备自动运行、分析并出具测试结果，同时兼顾测试效率；大部分航天驱动机构对传动精度的要求较高，部分驱动机构的传动精度达到30角秒的要求，某些产品甚至小于10角秒，因此测量精度需要达到角秒级，而现有的测试系统在测量精度控制、自主规划测试流程上尚未完全满足高精度和高效的测试要求，特别是当待测试驱动机构传动比较大时，测试效率会极其低下。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统航天驱动机构传动精度测试系统存在的测量精度较低以及测试流程中的自主规划能力不足的问题，提出了一种基于角位移与转速控制的驱动机构传动精度测试方法。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种基于角位移与转速控制的驱动机构传动精度测试方法，步骤如下：
(1)构建包括反射式圆光栅、准直仪、24面棱体、伺服电机的驱动机构传动精度测试系统，同时确定待测试驱动机构的传动比；
(2)通过对齐准直仪光标及24面棱体反射光标以确定待测试驱动机构的测量初始点，并设定待测试机构输出轴转动一周时间内需进行测量的所有转动周期测量点，于各转动周期测量点转动对齐过程中，根据步骤(1)确定的待测试驱动机构的传动比对驱动机构转速测试流程进行自主规划；
(3)通过伺服电机驱动待测试驱动机构进行转动，按照步骤(2)自主规划后所得驱动机构转速测试流程，利用反射式圆光栅对该驱动机构的输入端转角进行记录，同时利用准直仪及24面棱体对该驱动机构的输出端转角进行测量并记录；
(4)驱动待测试驱动机构转动一周后，分别通过各转动周期测量点转动对齐过程对应的驱动机构输入端转角及输出端转角计算该转动周期内测量点的传动误差，将所有测量点传动误差绘制为传动曲线，并取该传动曲线的最大峰峰值作为待测试驱动机构的传动精度值。
所述步骤(2)中，各转动周期测量点转动对齐过程具体为：以准直仪光标与24面棱体中任一面棱体反射光标位置重合处作为该面棱体的转动周期测量初始点，通过手动调节确定转动周期初始点后控制驱动机构转动，转动周期测量点光标自动重合、转动分离直至再次重合的过程即为各转动周期测量点转动对齐过程。
所述步骤(2)中，驱动机构转速测试流程具体为：
利用准直仪及24面棱体对该驱动机构的输出端转角进行测量时，每当驱动机构输出端转动15°，即进行一次驱动机构输出端转角测量、一次驱动机构输入端转角测量，当待测试驱动机构转动一周后，共进行24次测量。
所述各转动周期测量点转动对齐过程包括高转速段、中转速段、低转速段，分别为：驱动机构输出端转动角度范围0-14°间、驱动机构输出端转动角度范围14°-14°59′30″间、驱动机构输出端转动角度范围14°59′30″-15°间。
所述步骤(4)中各转动周期测量点的传动误差F的计算方法具体为：
F＝θout-θin/i
式中，θout为所选转动周期测量点对应的驱动机构输出端转角，θin为所选转动周期测量点对应的驱动机构输入端转角，i为待测试驱动机构的传动比。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提供的一种基于角位移与转速控制的驱动机构传动精度测试方法，分别由输入端角度传感器和输出端的角度传感器提供转角信息，由嵌入式计算机对输出端转角进行自主判断，控制驱动电机改变待测试驱动机构转速以完成当前转动周期测量点的转动对齐过程，解决了传统传动精度测试系统存在的测量精度较低以及测试流程中的自主规划能力不足等缺点，能够完全实现自动化测量，同时根据传动比控制伺服电机转速，在设备的性能范围之内，尽量缩短单台设备的测试时间；
(2)本发明通过将同一转动周期测量点的转动对齐过程根据输出端分别为高速、中速、低速阶段，在缩短测量时间的前提下，能够提高最终输出角度位置的控制精度，在实现高效测量的同时保证高精度测量。
附图说明
图1为发明提供的驱动机构传动精度测试系统结构示意图；
图2为发明提供的驱动机构传动精度测试系统结构原理图；
图3为发明提供的驱动机构转速测试流程各阶段示意图；
图4为发明提供的绘制传动曲线示意图；
具体实施方式
一种基于角位移与转速控制的驱动机构传动精度测试方法，根据传动误差的定义，通过反射式圆光栅测量输入端转角、准直仪及24面棱体测量输出端转角，采用输入端位置和输出端位置双反馈的方法控制待测试驱动机构运动，测量用驱动机构传动精度测试系统结构及原理如图1、图2所示，包括反射式圆光栅-101、准直仪及24面棱体-102、伺服电机-103，同时还包括发出控制指令的嵌入式计算机-104，反射式圆光栅用于集驱动机构输入端转角，准直仪+24面棱体用来采集驱动机构输出端转角，伺服电机用来驱动待测试驱动机构运行，嵌入式计算机用来进行控制整套测试系统运行和数据存储和分析。
进行精度测试的具体步骤包括：
(1)搭建对待测试驱动机构进行测量的驱动机构传动精度测试系统，记录所需的待测试机构的传动比数据；
(2)在测量驱动机构输入端转角处使用反射式圆光栅，通过准直仪搭配24面棱体，通过光标和反射光标确定所有需要进行测量的转动周期测量点，将各转动周期测量点对应的待测试驱动机构转速测试流程预设为三段，分别包括高速段、中速段、低速段，整个驱动机构转速测试流程总路径为待测试驱动机构转动一周的路径；
其中，转动周期初始点为准直仪光标与24面棱体中任一面棱体反射光标位置重合处，在转动测试开始前，通过手动调节确定转动周期初始点后控制驱动机构转动，测试开始后，转动周期测量点光标自动重合、转动分离直至再次重合，整个过程作为该面棱体对应的转动周期测量点转动对齐过程；
从运动机构的定位精度控制常识可知，当趋近位置目标值时，趋近速度越慢，控制精度越高，因此越接近当前转动周期测量点驱动机构的转动角度上限时，驱动机构测量转速越慢，测量精度越高；
如图3所示，采用的24面棱体将驱动机构转速一周分为24部分，每个转动周期测量点对应的驱动机构转速测试流程，驱动机构转动角度上限均为15度，输出端转角在0-14°之间、伺服电机处于高速阶段，输出端转角在14°-14°59′30″之间、伺服电机处于中速阶段，输出端转角在14°59′30″-15°之间、伺服电机处于低速阶段，此时可获得角秒级测量精度；
在测试过程中，对输入端转角和输出端转角的实时测量信息统一反馈给嵌入式计算机，当转动度数达到驱动机构转速测试流程第一阶段的预设上限，即可通过嵌入式计算机降低转速进入下一阶段，再次达到预设上限后进入慢速的最后阶段，达到15°，即完成当前转动周期测量点的转动对齐过程，需要对下一转动周期测量点进行测量；
(3)通过伺服电机驱动待测试驱动机构进行转动，按预设各转动周期测量点转速流程，利用反射式圆光栅对该驱动机构的输入端转角进行记录，同时利用准直仪及24面棱体对该驱动机构的输出端转角进行测量并记录，每当驱动机构输出端转动15°时，采集并记录驱动机构输出端转角θout、驱动机构输入端转角θin。；
(4)驱动待测试驱动机构转动一周后，分别通过各转动周期测量点对应的驱动机构输入端转角及输出端转角计算该转动周期内测量点的传动误差，将所有测量点传动误差绘制为传动曲线，并取该传动曲线的最大峰峰值作为待测试驱动机构的传动精度值，其中：
各转动周期测量点的传动误差F的计算方法具体为：
F＝θout-θin/i
式中，θout为所选转动周期测量点对应的驱动机构输出端转角，θin为所选转动周期测量点对应的驱动机构输入端转角，i为待测试驱动机构的传动比。
下面结合具体实施例进行进一步说明：
在本实施例中，首先按照如图1所示搭建测试系统，系统运行前，输入测试机构传动比，根据传动比和测试系统性能设置运行转速，通过对齐准直仪及24面棱体以确定待测试驱动机构转动一周时间内，需进行测量的所有转动周期测量点，并预设各转动周期测量点对应的转速测试流程；
以待测试驱动机构输出端位置为最终控制目标，当输出端24面棱体的反射光标进入准直仪的视场后，确定转动周期测量点，准直仪及24面棱体提供位置反馈信息，其他位置由反射式圆光栅提供输入转角信息并计算当前输出位置，每当驱动机构输出端运动15°后，采集并记录驱动机构输出端转角θout、驱动机构输入端转角θin；
伺服电机驱动待测试驱动机构运转一周，输出轴以15°为周期运转，输入转角以15×i为周期记录，根据传动误差的定义F＝θout-θin/i计算每个点的传动误差，将24个点的传动误差绘制成一条曲线，取其最大峰峰值为该驱动机构的传动精度。
其中，测试所得传动比为3146.767486的某驱动机构的24个转动周期测量点对应的传动误差如下：
Figure BDA0002411245720000061
绘制所得传动曲线具体如图4所示，本实施例中该曲线的最大峰峰值具体为：48.8″。
上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于角位移与转速控制的驱动机构传动精度测试方法，其特征在于步骤如下：
(1)构建包括反射式圆光栅、准直仪、24面棱体、伺服电机的驱动机构传动精度测试系统，同时确定待测试驱动机构的传动比；
(2)通过对齐准直仪光标及24面棱体反射光标以确定待测试驱动机构的测量初始点，并设定待测试机构输出轴转动一周时间内需进行测量的所有转动周期测量点，于各转动周期测量点转动对齐过程中，根据步骤(1)确定的待测试驱动机构的传动比对驱动机构转速测试流程进行自主规划；
(3)通过伺服电机驱动待测试驱动机构进行转动，按照步骤(2)自主规划后所得驱动机构转速测试流程，利用反射式圆光栅对该驱动机构的输入端转角进行记录，同时利用准直仪及24面棱体对该驱动机构的输出端转角进行测量并记录；
(4)驱动待测试驱动机构转动一周后，分别通过各转动周期测量点转动对齐过程对应的驱动机构输入端转角及输出端转角计算该转动周期内测量点的传动误差，将所有测量点传动误差绘制为传动曲线，并取该传动曲线的最大峰峰值作为待测试驱动机构的传动精度值。
2.根据权利要求1所述的一种基于角位移与转速控制的驱动机构传动精度测试方法，其特征在于：所述步骤(2)中，各转动周期测量点转动对齐过程具体为：以准直仪光标与24面棱体中任一面棱体反射光标位置重合处作为该面棱体的转动周期测量初始点，通过手动调节确定转动周期初始点后控制驱动机构转动，转动周期测量点光标自动重合、转动分离直至再次重合的过程即为各转动周期测量点转动对齐过程。
3.根据权利要求1所述的一种基于角位移与转速控制的驱动机构传动精度测试方法，其特征在于：所述步骤(2)中，驱动机构转速测试流程具体为：
利用准直仪及24面棱体对该驱动机构的输出端转角进行测量时，每当驱动机构输出端转动15°，即进行一次驱动机构输出端转角测量、一次驱动机构输入端转角测量，当待测试驱动机构转动一周后，共进行24次测量。
4.根据权利要求1所述的一种基于角位移与转速控制的驱动机构传动精度测试方法，其特征在于：所述各转动周期测量点转动对齐过程包括高转速段、中转速段、低转速段，分别为：驱动机构输出端转动角度范围0-14°间、驱动机构输出端转动角度范围14°-14°59′30″间、驱动机构输出端转动角度范围14°59′30″-15°间。
5.根据权利要求1所述的一种基于角位移与转速控制的驱动机构传动精度测试和评价方法，其特征在于：所述步骤(4)中各转动周期测量点的传动误差F的计算方法具体为：
F＝θout-θin/i
式中，θout为所选转动周期测量点对应的驱动机构输出端转角，θin为所选转动周期测量点对应的驱动机构输入端转角，i为待测试驱动机构的传动比。
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