CN112964907A - 一种可调速的直线明槽中低速高精度流速校准系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调速的直线明槽中低速高精度流速校准系统及其控制方法，属于水工，河工及港工物理模型试验流速要素的仪器校准技术领域，包括直线明槽组件、安装在直线明槽组件上的导轨、设置于直线明槽组件与导轨之间的调整垫梁以及滑动连接于导轨的传动装置；所述导轨包括安装基座、开设在安装基座的导轨安装槽、开设于安装基座上的导轨传动槽；所述安装基座设有用于配合垫块的导轨安装孔，所述导轨传动槽内镶嵌有传动齿条；该可调速的直线明槽中低速高精度流速校准系统及其控制方法，结构合理，建造方便。

Description

一种可调速的直线明槽中低速高精度流速校准系统及其控制 方法

技术领域

本发明属于水工，河工及港工物理模型试验流速要素的仪器校准技术领域，具体涉及可调速的直线明槽中低速高精度流速校准系统及其控制方法。

背景技术

低速高精度流速检定系统是物理模型试验中对流速测量仪器检定、校准的一种重要手段设备，专用于水工，河工及港工物理模型试验中实验流速仪和原观流速仪速度检定、参数率定与性能校验对比；

在直线明槽中进行流速传感器的检定、校准工作，对提高流速传感器的精度和稳定性，保证模型试验成果的可靠性，具有决定性的作用；根据《直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法》（GB/T 21699-2008）, 直线明槽的长度包括加速度、稳定段（测量段）和制动段的长度，其长度由检定车的最大速度来决定，制动段长度必须满足安全的需要，测量段应能保证流速仪检定误差在最高速度下检定时不超过允许值，结合场地建设条件，直线明槽长度定为78m，净深度定为1.2m，净宽度定为1.2m，直线明槽的深度由最高检定速度来选定，应保证最高检定速度处于产生干扰的临界流速之前，或远远超过临界流速，直线明槽内最大水深为1.0m，根据《直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法》（GB/T 21699-2008），临界流速为3.23m/s，可满足最高检定速度3m的要求，考虑水面以上0.2m的安全高度，明槽净深度定为1.2m。直线明槽宽度根据GB/T 21699-2008，低速段检定时可成组检定，流速仪之间以及与槽壁之间净距离应大于0.15m，中、高速段时每次检定一架流速仪，本发明考虑每次检定一架或以上流速仪，明槽宽度定为1.2m， 现有的校准系统的检定车运动时不稳定平滑，有抖动，噪音大等问题，需要研发一种新的校准系统和控制方法来解决现有的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调速的直线明槽中低速高精度流速校准系统及其控制方法，以解决现有检定车运动时不稳定的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可调速的直线明槽中低速高精度流速校准系统及其控制方法，包括直线明槽组件、安装在直线明槽组件上的导轨、设置于直线明槽组件与导轨之间的调整垫梁以及滑动连接于导轨的传动装置；

所述导轨包括安装基座、开设在安装基座两侧面的导轨安装槽、开设于安装基座上的导轨传动槽；所述安装基座设有用于配合调整垫梁，经过特殊外形加工，以满足微小不平整度自适应传动的一种专用垫块，是金属材料领域专业术语）的导轨安装孔，所述导轨传动槽内镶嵌有传动齿条；调整的是垫梁的水平度，利用三点确定一面的原理，通过开设于垫梁局部的螺纹孔，采用“二锁一顶“的方法使垫梁发生局部微小应变调，以达到绝对水平的目的。

所述传动装置包括滑动连接于导轨的滑块副、驱动滑块副运动的伺服电机、用于消除伺服电机不平衡量的动平衡传感器以及用于伺服电机绝对同步运动的差速器；

所述滑块副包括固定座、安装在固定座上并与导轨滚动紧配合的内圆滑轮；

两个安装伺服电机的滑块副上分别设有从动轮，两个所述从动轮与导轨滚动紧配合，且两个所述从动轮与差速器作同轴心联接，若两台所述伺服电机出现不同步时，所述差速器输出偏差信号给控制器作同步纠偏。

优选的，所述安装基座中设有两排等间距的导轨安装孔，两排导轨安装孔中间设有导轨传动槽。

优选的，两个所述导轨安装槽内分别安装有光轴，所述光轴为圆柱体形状。

优选的，两个所述导轨安装槽的横截面为半圆形，且两个所述导轨安装槽呈镜像对称分布。

优选的，所述直线明槽组件包括明槽底座、位于明槽底座上方两根互相平行的明槽横梁、使明槽横梁固定于明槽底座上方的明槽立柱明槽立柱、设置在明槽立柱明槽立柱内侧构成用于储存水体的明槽蓄水玻璃明槽蓄水玻璃。

优选的，所述明槽横梁上固设有保护线性传动装置的保护档板。

优选的，所述传动装置固定在检定车上，所述检定车包括小车主体、电控升降定位装置、流速杆夹具以及啮合连接于传动齿条并传递伺服电机的驱动力使检定车运动的传动装置(驱动：是动力源部件，实际就是伺服电机转动后对检定车形成驱动。传动：是指对驱动源的形式转换，本系统中是将伺服电机的旋转运动转换成检定车的直线运动)。

优选的，所述滑块副包括固定座、安装在固定座上并与导轨滑动连接的内圆滑轮。

一种可调速的直线明槽中低速高精度流速校准系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、PLC接收到运动命令后，处理并换算成脉冲和方向命令码，并将脉冲和方向命令码下发给脉冲定位模块，所述脉冲定位模块把脉冲信号通过串联接口发送给两台伺服驱动器，同时反馈给PLC构成一次脉冲频率的闭环监测；

S2、两台伺服驱动器接收到绝对同步的脉冲信号后，把执行信号发送给两台伺服电机，使两台伺服电机同步转动，从而拖动检定车运动；

S3、所述检定车运动的同时，所述平衡传感器实时向PLC反馈其运动平衡状态，构成二次闭环监测。

本发明的技术效果和优点：该可调速的直线明槽中低速高精度流速校准系统及其控制方法，结构合理，建造方便，使用适用性强，对水工，河工及港工物理模型试验中实验流速仪和原观流速仪速度的校准具有重要的实际意义，一方面，光轴经过盈配合从安装基座的顶端压入，可绝对保证双边光轴的平行，保证了滑块运动时的稳定性和配合可调性；另一方面，传动装置增加了导轨的使用寿命，安装在连续基座上，具有结构稳定，转弯平稳，经久耐用等优点；

本发明在直线明槽上安装可以拖动流速仪运动的检定车，即可构成直线明槽中低速高精度流速检定、校准系统，检定车的运动速度范围0.01~3 m/s，采用直流伺服电机无极变速实现运动速度的可调变化，其中，最高速度为3m时，依据选定的伺服电机特性以及传动速比，速度软启动上升和停止下降分别占用长度为7.2m，耗时分别为3.9s，这样，最高速稳定段有至少60m，完全满足《直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法》（GB/T 21699-2008）的规范要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明A处的放大图；

图3为本发明控制方法总体框图。

图中：1、调整垫梁；2、导轨；3、传动装置；4、保护档板；5、检定车；6、传动齿条；7、直线明槽组件；8、光轴；21、安装基座；22、导轨安装槽；23、导轨安装孔；24、导轨传动槽；31、滑块副；311、固定座；312、内圆滑轮；71、明槽底座；72、明槽立柱；73、明槽蓄水玻璃；74、明槽横梁。

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。

本发明提供了如图1-3中所示的一种直线明槽中低速高精度流速校准系统及其控制方法，包括直线明槽组件7、安装在直线明槽组件7上的导轨2、设置于直线明槽组件7与导轨2之间的调整垫梁1以及滑动连接于导轨2的传动装置3；调整垫梁1调整的是垫梁的水平度，利用三点确定一面的原理，通过开设于垫梁局部的螺纹孔，采用“二锁一顶“的方法使垫梁发生局部微小应变调，以达到绝对水平的目的；

导轨2包括安装基座21、开设在安装基座21两侧面的导轨安装槽22、开设于安装基座21上的导轨传动槽24；安装基座21设有用于配合调整垫梁1的导轨安装孔23，导轨传动槽24内镶嵌有传动齿条6；所述滑块副31包括固定座311、安装在固定座311上并与导轨2滑动连接的内圆滑轮；

两个安装伺服电机的滑块副31上分别设有从动轮，两个所述从动轮与导轨2接触，且两个所述从动轮与差速器相连接，当两台所述伺服电机及其传动系统出现微小不同步时，输出偏差信号给控制器作同步纠偏；

传动装置3包括滑动连接于导轨2的滑块副31、驱动滑块副31运动的伺服电机、用于消除伺服电机不平衡量的动平衡传感器以及用于伺服电机绝对同步运动的差速器, 动平衡传感器与控制器相连接，把数据发送给控制器；安装基座21中设有两排等间距的导轨安装孔23，两排导轨安装孔23中间设有导轨传动槽24,两个导轨安装槽22内分别安装有光轴8，光轴8为圆柱体形状,两个导轨安装槽22的横截面为半圆形，且两个导轨安装槽22呈镜像对称分布,直线明槽组件7包括明槽底座71、位于明槽底座71上方两根互相平行的明槽横梁74、使明槽横梁74固定于明槽底座71上方的明槽立柱72、设置在明槽立柱72内侧构成用于储存水体的明槽蓄水玻璃73,传动装置3固定在检定车5上，所述检定车5包括小车主体、电控升降定位装置、流速杆夹具以及啮合连接于传动齿条6并传递伺服电机的驱动力使检定车5运动的传动装置3；所述滑块副31包括固定座311、安装在固定座311上并与导轨2滑动连接的内圆滑轮312；

本发明在直线明槽组件7基础上安装的导轨2及传动装置3，通过伺服电机动力驱动检定车5进而拖动流速仪进行直线运动，运动速度由特定的控制方式实现，依次对流速的准确性实现检定、校准；

导轨2平行且同平面安装在直线明槽组件7的两边，导轨2通过可二维平面调整的调整垫梁1通过缩进螺栓与直线明槽组件7的上变量连接固定，线性导轨2采用宽面双轴心导轨，由两边淬火光轴8和安装基座21组成,光轴8经过盈配合从安装基座21的顶端压入，可绝对保证双边光轴8的平行，保证了滑块运动时的稳定性和配合可调性,安装基座21上有两排等间距的导轨安装孔23，可与应变式的垫块配合调整单边导轨为二维平面（普通的常见导轨只能调整一维线性水平）,该导轨2的优点为：双排导轨安装孔23，结构稳定，易于与应变型垫块配合调平；

由于单根导轨的长度为4米，需要无缝拼接。而对导轨2而言，无缝拼接的最优方式为圆形同心拼接，可错开两边圆形光轴8的拼接位置；

两边光轴8与安装基座21三者的拼接缝可相互错开；

与内圆滑块配合后，可满足高速运动的要求；

安装基座21中间的凹槽可用于安装柔性传动齿条6，同时也确保了传动齿条6与导轨2的平行性；

本实施例中，传动装置3为沿明槽长度方向安装宽面线性的导轨2和传动齿条6后，在导轨2上每边配装4组滑块副31、4个动平衡传感器、2套差速器和2台伺服电机,此传动装置3的优点为：驱动：是动力源部件，实际就是伺服电机转动后对检定车形成驱动。

传动：是指对驱动源的形式转换，本系统中是将伺服电机的旋转运动转换成检定车的直线运动。

本实施例中，滑块副31：每组滑块副31由6个内圆滑轮312和1块固定座311组成，与导轨2之间无缝配合,既起到了滑块作用，也分散了承载重量，拟定每组滑块副31可承载70kg；

动平衡传感器：检定车5运动时，是为确定电机转动时产生的不平衡量（离心力和离心力偶）的位置和大小并加以消除的操作装置；不平衡量会引起检定车5的横向振动，并使电机受到不必要的附加动载荷，这不利于检定车5的正常运转，所以，必须进行动平衡运动控制，检定车5的平稳运行很显然也需要此工序；

差速器：作用是当检定车5运动存在左右差异时，使左右车轮以不同转速滚动，即保证两侧驱动车轮作纯滚动运动。由于检定车5由伺服电机同步驱动，由于电机相应特性，转动惯量，机械公差等因素，不可避免的会存在两边的运动给进量差异,因此，为使得检定车5前行时绝对同步运动，差速器的安装是非常由必要的；

切力终端保护：内圆滑轮组能与导轨2无缝卡接，同时配合设计的宽面轨道，能克服圆形导轨在运动失衡或非平行规则运动时产生的切力,与传统导轨相比，这样既保证了运动的横向测量精度，又提高了运动的终端安全性能，且与内圆滑轮组配套设计的轨道，传统的圆形导轨仅靠测桥自身重力压在导轨上，其结构决定无法实现非平行直线运动时的切力终端保护，可能会导致车体侧滑、扭转、仰倾等状况的发生；

避免导轨2磨损：因内圆滑轮组在测桥运动中仅起引导运动方向的作用不起承重作用；避免了常规设备中内圆滑轮组既起到引导运动方向的作用又起到承重作用时，因内圆滑轮312与导轨2接触面积小而导致导轨磨损严重的现象，有效提高了导轨2的使用寿命；

定位精度较高：因从动轮起承重作用，其在运动过程中不会打滑，且始终运动在导轨2的中心线上,2个从动轮上增加光电编码器，实现霍尔开关定点、隔点定位，使得检定车5在X方向的运动定位精度偏差在0.22mm以内；

运动稳定平滑：从动轮选用邵氏65°高弹力天然橡胶材质，能将行驶时因撞击地面障碍物所产生的噪音瞬间全部吸收，且接触面有反对称纹理层，摩檫力较大，不易打滑，保障检定车5运动时稳定平滑，无抖动，噪音小；

配合设计的行走系统，增加了导轨2的使用寿命，安装在连续的安装基座21上，具有结构稳定，转弯平稳，经久耐用等优点；

检定车5由滑块副31、小车主体、柔性齿条、伺服电机、差速器、动平衡传感器、电控升降定位装置、流速杆夹具及传动装置3等组成，同时在板面上加工矩阵式螺纹孔，供蓄电池、控制机箱、分区电源模块、重载夹具、溯源设备、限位保护、急停保护等装置的固定使用；明槽横梁74上固设有保护传动装置3的保护档板4；

可调速的直线明槽中低速高精度流速校准系统的控制方法：当上位机或人机界面编辑并发出运动命令后，PLC处理并换算所收到的命令码，将脉冲和方向命令下发给定位模块，定位模块发出精准频率的的脉冲信号；而脉冲信号通过串接模块送给两台伺服电机，同时反馈给PLC构成一次脉冲频率的闭环监测；控制器接收到绝对同步的脉冲信号好，准确的驱动两台伺服电机同步转动，进而拖动检定车5运动；检定车5运动的同时，会通过平衡传感器实时向PLC反馈其运动平衡状态，构成二次闭环监测,两次闭环确保了检定车的准确平稳运行。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可调速的直线明槽中低速高精度流速校准系统，其特征在于：包括控制器、直线明槽组件、安装在直线明槽组件上的导轨、设置于直线明槽组件与导轨之间的调整垫梁以及滑动连接于导轨的传动装置；

所述导轨包括安装基座、开设在安装基座两侧面的导轨安装槽、开设于安装基座上的导轨传动槽；所述安装基座设有用于配合调整垫梁的导轨安装孔，所述导轨传动槽内镶嵌有传动齿条；

所述传动装置包括滑动连接于导轨的滑块副、驱动滑块副运动的伺服电机、用于消除伺服电机不平衡量的动平衡传感器以及差速器；

所述滑块副包括固定座、安装在固定座上并与导轨滚动紧配合的内圆滑轮；

两个安装伺服电机的滑块副上分别设有从动轮，两个所述从动轮与导轨滚动紧配合，且两个所述从动轮与差速器作同轴心联接，若两台所述伺服电机出现不同步时，所述差速器输出偏差信号给控制器作同步纠偏。

2.根据权利要求1所述的一种可调速的直线明槽中低速高精度流速校准系统，其特征在于：所述安装基座中设有两排等间距的导轨安装孔，两排导轨安装孔中间设有导轨传动槽。

3.根据权利要求1所述的一种可调速的直线明槽中低速高精度流速校准系统，其特征在于：两个所述导轨安装槽内分别安装有光轴，所述光轴为圆柱体形状。

4.根据权利要求3所述的一种可调速的直线明槽中低速高精度流速校准系统，其特征在于：两个所述导轨安装槽的横截面为半圆形，且两个所述导轨安装槽呈镜像对称分布。

5.根据权利要求1所述的一种可调速的直线明槽中低速高精度流速校准系统，其特征在于：所述直线明槽组件包括明槽底座、位于明槽底座上方两根互相平行的明槽横梁、使明槽横梁固定于明槽底座上方的明槽立柱、设置在明槽立柱内侧构成用于储存水体的明槽蓄水玻璃。

6.根据权利要求5所述的一种可调速的直线明槽中低速高精度流速校准系统，其特征在于：所述明槽横梁上固设有保护线性传动装置的保护档板。

7.根据权利要求1所述的一种可调速的直线明槽中低速高精度流速校准系统，其特征在于：所述传动装置固定在检定车上，所述检定车包括小车主体、电控升降定位装置、流速杆夹具以及啮合连接于传动齿条并传递伺服电机的驱动力使检定车运动的传动装置。

8.根据权利要求7所述的一种可调速的直线明槽中低速高精度流速校准系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、PLC接收到运动命令后，处理并换算成脉冲和方向命令码，并将脉冲和方向命令码下发给脉冲定位模块，所述脉冲定位模块把脉冲信号通过串联接口发送给两台伺服驱动器，同时反馈给PLC构成一次脉冲频率的闭环监测；

S2、两台伺服驱动器接收到绝对同步的脉冲信号后，把执行信号发送给两台伺服电机，使两台伺服电机同步转动，从而拖动检定车运动；

S3、所述检定车运动的同时，所述平衡传感器实时向PLC反馈其运动平衡状态，构成二次闭环监测。

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