CN112146695B - 一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法，包括以下步骤：数据采集分析：通过编码器误差测量装置获取被测编码器的数据，并且将数据输入到计算机中进行分析；计算机绘图：计算机针对数据制作误差曲线图和误差频谱图，并且定义误差谱段；分析最大误差源：根据误差频谱图获取编码器在各个周期频率内的误差幅值，判断编码器最大误差因素。本发明所述的一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法，可以得到编程器各种误差的来源情况，便于人们分析产生原因，可以得到编码器误差贡献大小情况，定量指出编码器下步调试方向，快速解决问题，极大的提高了工作效率、工作质量，同时编码器所反映的误差，分析全面，带来更好的使用前景。
Description
技术领域
本发明涉及编码器领域，特别涉及一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法。
背景技术
编码器作为轴角位移测量的仪器，其测角误差是衡量特性的最重要指标；
目前测量有两种方法，一种是采用高精度的多面体（N面，N：13、17、23、24等）与被测编码器同轴连接，通过自准直光管瞄准多面体每个楞面，测量每面测角的测角误差；另一种是采用精密测角转台，通过测量固定的特征点（N：17、23、24、36等等），读数点得到编码器的测量误差。两种方法都是固定的特征点，相邻两点之间误差没有测到，不能反映全部的编码器全部的测量误差，而且现有的测量方法只能反映测量误差，不能得到各种误差的来源情况，不利于人们分析产生原因，不了解编码器误差贡献大小情况，不方便人们对编码器进行升级或者维护，为此，我们提出一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法，包括以下步骤：
①、数据采集分析：通过编码器误差测量装置获取被测编码器的数据，并且将数据输入到计算机中进行分析；
②、计算机绘图：计算机针对数据制作误差曲线图和误差频谱图，并且定义误差谱段；
③、分析最大误差源：根据误差频谱图获取编码器在各个周期频率内的误差幅值，判断编码器最大误差因素，即编码器最大误差源；
④、消除最大误差源：调试编码器，消除造成编码器最大误差源因素；
⑤、将调试后的编码器重新送入编码器误差测量装置中测量，并对测量的数据再次分析。
优选的，步骤②中误差曲线图的纵坐标被测编码器误差值是由转台标准值减去被测编码器测量值，误差曲线图的横坐标为转台角度。
优选的，定义误差谱段包括低频误差、中频误差和高频误差；
低频误差：指频率小于编码器最高线数值的频率；
中频误差：指等于编码器最高线数值的频率到小于8倍编码器最高线数值的频率；
高频误差：指大于等于8倍编码器最高线数值的频率。
优选的，低频误差对应的误差产生源为盘跳动、偏心、均匀性变化以及轴系精度，中频误差对应的误差产生源由电周期内细分产生，产生原因为原始信号的正交性、正弦性引起，高频误差对应的误差产生源为测量标准仪器分辨率与被测编码器分辨率的不整除、或是倍差、（量化误差）以及测试时高频机械振动和电源高频噪声等。
优选的，步骤⑤中再次分析编码器数据，再次消除造成编码器最大误差源因素，直到编码器符合标准。
与现有技术相比，该一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法具有如下有益效果：
本方法可以得到编程器各种误差的来源情况，便于人们分析产生原因，可以得到编码器误差贡献大小情况，定量指出编码器下步调试方向，快速解决问题，极大的提高了工作效率、工作质量，同时编码器所反映的误差，分析全面，整个基于频谱分析的编码器误差源分析方法简单，操作方便，使用效果相对于传统方式更好。
附图说明
图1为本发明一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法的整体流程图；
图2为本发明一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法中输入计算机的参数图；
图3为本发明一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法的第一分析图；
图4为本发明一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法的第二分析图；
图5为本发明一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法的第三分析图；
图6为本发明一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法的第四分析图；
图7为本发明一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法的第五分析图；
图8为本发明一种编码器误差测量装置的内部整体结构示意图。
图中：1、轴；2、被测编码器；3、主体；4、轴套；5、电机；6、角度测量基准；7、计算机。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例1
一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法，包括以下步骤：
①、数据采集分析：通过编码器误差测量装置获取被测编码器的数据，并且将数据输入到计算机中进行分析；
②、计算机绘图：计算机针对数据制作误差曲线图和误差频谱图，并且定义误差谱段；
根据误差频谱图获取编码器在各个周期频率内的误差幅值，判断编码器最大误差因素，即编码器最大误差源；
误差曲线图的纵坐标被测编码器误差值是由转台标准值减去被测编码器测量值，误差曲线图的横坐标为转台角度。
计算机针对数据制作误差曲线图和误差频谱图，并且定义误差谱段；
定义误差谱段包括低频误差、中频误差和高频误差；
低频误差：指频率小于编码器最高线数值的频率；
中频误差：指等于编码器最高线数值的频率到小于8倍编码器最高线数值的频率；
高频误差：指大于等于8倍编码器最高线数值的频率；
低频误差对应的误差产生源为盘跳动、偏心、均匀性变化以及轴系精度，中频误差对应的误差产生源由电周期内细分产生，产生原因原始信号的正交性、正弦性引起，高频误差对应的误差产生源为测量标准仪器分辨率与被测编码器分辨率的不整除、或是倍差、（量化误差）以及测试时高频机械振动和电源高频噪声。
③、分析最大误差源：根据误差频谱图获取编码器在各个周期频率内的误差幅值，判断编码器最大误差因素，即编码器最大误差源。
④、消除最大误差源：调试编码器，消除造成编码器最大误差源因素；
⑤、将调试后的编码器重新送入编码器误差测量装置中测量，并对测量的数据再次分析；
再次分析编码器数据，再次消除造成编码器最大误差源因素，直到编码器符合标准。
本基于频谱分析的编码器误差源分析方法中的编码器还可以为其他高精度的可采集角度电信息的测角仪器，能够连续测量，获取多组数据。
该类测角仪器应具有高精度、高分辨率、电信息输出等特点，例如光电编码器、磁编码器、感应同步器、旋转变压器、电容角传感器等测角仪器。
如图8所示，一种编码器误差测量装置，包括主体3、轴1、被测编码器2、轴套4、电机5、角度测量基准6和计算机7，轴套4安装在主体3内部，电机5、角度测量基准6的定子以及被测编码器2的定子均与轴套4刚性固连，电机5、角度测量基准6的转子以及被测编码器2的转子均与轴1刚性连接，被测编码器2和角度测量基准6通过导线与计算机7连接。
角度测量基准6可以采用基准编码器或者其他高精度的可采集角度电信息的测角仪器，能够连续测量，获取多组数据。
该类测角仪器应具有高精度、高分辨率、电信息输出等特点，例如光电编码器、磁编码器、感应同步器、旋转变压器、电容角传感器等测角仪器。
实施例2
一种编码器的检测、调试、再检测、再调试过程为例：该编码器的线数m线、精密测角转台在0-360°范围内采集的点数为65536，检测时间为0.5分钟（RPM=2），输入的参数如图2所示：
开始检测，生成误差曲线图，如图3所示，误差曲线图的纵坐标被测编码器误差值是由转台标准值减去被测编码器测量值；误差曲线表示了极值误差和均值误差，位置误差∆φ可以表示为
，其中
代表测量标准仪器测出的角度值，
代表了被测编码器的角度值。
图3的误差曲线图中曲线的纵轴为∆φ，单位角秒，横轴为编码器位置值，范围0-360°，误差曲线图中曲线部分是在0-360°范围内65536点的误差值，其最大误差为+12.5″，最小误差为-12.5″，图3中得到本次测量的结果，在0-360°范围内：极值误差±12.5″、均方差=4.3″；同时给出了电信号周期内的细分最大误差±10.3″，细分均方差4.2″。
误差曲线图在0-360°范围内，它将误差曲线图中检测的65536点误差值的数据，进行频谱分析得到的误差频谱图，如图3所示，误差频谱图的纵坐标为误差幅值，单位角秒；横坐标为各种频率，该图中的最高频率是32768；
定义误差谱段分类：低频误差、中频误差、高频误差。
低频误差是指频率小于编码器最高线数值的频率，图3的误差频谱图中是小于m的频率；
中频误差是指等于编码器线数值的频率，到小于8倍该数的频率，图3的误差频谱图中是m≤频率＜8m的频率；
高频误差是指大于等于8倍编码器线数值的频率，该图3的误差频谱图中是＞8192的频率
各频谱端对应误差产生源：
低频误差：盘跳动、偏心、均匀性变化、轴系精度；
中频误差：电周期内细分产生，产生原因原始信号的正交性、正弦性引起；
高频误差：测量标准仪器分辨率与被测编码器分辨率的不整除、或是倍差、（量化误差）等引起，测试时高频机械振动、电源高频噪声等引起。
采用包络线表示误差范围，中间线为上下包络线的相加平均值得到图4的误差曲线图；同时对图3的误差频谱图中的横轴放大得到图4的误差频谱图中，从图4的误差频谱图中可以看到频率为0误差幅值1.25″、频率为m误差幅值为2.1″、频率为2m误差幅值为2.2″、频率为3m误差幅值为1.6″、频率为4m误差幅值为4.7″；
图5中的误差曲线图是图3中的误差曲线图在横坐标90°位置附近的放大图，图中的Tm是频率为m的周期，该周期也包含了T2m 、T3m和T4m的信息；
在图3、图4、图5的误差频谱图得出结论是：该编码器中频误差数值对整体误差的贡献最大；它的来源在电周期内的细分，产生原因为原始光电信号的正弦性不好、各路光电信号正交性（相差90°）不好引起。
给出了误差诊断好，同时给出解决办法
1、重新调试各路原始光电信号的正弦性、各路间的正交性；2采用软件误差修补的办法。
图6是采用方法1对编码器进行调整，经编码器误差源分析及测量装置检测后，重新得到的误差曲线图、误差频谱图以及测量结果。从图6中的误差曲线图看到误差改善显著。
同时在图6中误差频谱图的中频误差各路幅值（频率为m、2m、3m、4m）的误差幅值减小近8倍，提高显著，它已经不是该编码器误差的主要来源，误差主要来源变为低频误差。
从测量结果中看到该编码器的极值误差由±12.5″改为±5.8，均方差
=4.3″改为
=1.5″，提高精度一倍以上。
图7中误差频谱图的低频误差频谱放大，它是最大幅值的频谱，频率为2，其幅值为1.3″；图7中的误差曲线图在0-360°范围内，T1=360°（它包含了T2、T3误差波形），它产生的原因是由于码盘与主轴偏心（一次量），经对径读数相加产生，解决办法1、重新装调码盘和主轴；2采用软件误差修补的办法，多次处理，消除误差。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (2)
1.一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
①、数据采集分析：通过编码器误差测量装置获取被测编码器的数据，并且将数据输入到计算机中进行分析；
②、计算机绘图：计算机针对数据制作误差曲线图和误差频谱图，并且定义误差谱段；
③、分析最大误差源：根据误差频谱图获取编码器在各个周期频率内的误差幅值，判断编码器最大误差因素，即编码器最大误差源；
④、消除最大误差源：调试编码器，消除造成编码器最大误差源因素；
⑤、将调试后的编码器重新送入编码器误差测量装置中测量，并对测量的数据再次分析；
其中，编码器的线数为m；
其中，定义误差谱段包括低频误差、中频误差和高频误差；
其中，低频误差：指频率小于编码器最高线数值m的频率；
其中，中频误差：指等于编码器最高线数值m的频率到小于8倍编码器最高线数值m的频率，即m≤频率＜8m的频率；
其中，高频误差：指大于等于8倍编码器最高线数值m的频率；
其中，步骤②中误差曲线图的纵坐标被测编码器误差值是由转台标准值减去被测编码器测量值，误差曲线图的横坐标为转台角度；
其中，低频误差对应的误差产生源为盘跳动、偏心、均匀性变化以及轴系精度，中频误差对应的误差产生源由电周期内细分产生，产生原因为原始信号的正交性、正弦性引起，高频误差对应的误差产生源为测量标准仪器分辨率与被测编码器分辨率的不整除、或是倍差、量化误差以及测试时高频机械振动和电源高频噪声。
2.根据权利要求1所述的一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法，其特征在于：步骤⑤中再次分析编码器数据，再次消除造成编码器最大误差源因素，直到编码器符合标准。
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