CN115096215B - 基于全周调制信号周期的转盘偏心角测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于全周调制信号周期的转盘偏心角测量方法，通过连续测量转盘光电调制信号周期值，计算转盘一周内周期值的均值和变化量R，以每个周期与均值的偏差与整周内周期变化量R的比值计算偏心角度，剔除异常后取平均，从而消除R取值误差引起的异常角度误差。该方法易实现、装置简单、成本低，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

基于全周调制信号周期的转盘偏心角测量方法

技术领域

本发明属于转盘偏心角测量领域，具体地而言为一种基于全周调制信号周期的转盘偏心角测量方法。

背景技术

在工业应用过程中，转盘部件是最常用的机械零部件之一,广泛应用于工程机械、测试计量、航空航天等各个领域。安装转盘类部件时存在与其转轴中心的安装误差，主要是由于转盘类零件与转轴的偏心引起的同轴度偏心误差，该误差直接影响转盘的工作稳定性和输出信号精度，因此检测和调试同轴度误差是生产及安装转盘类部件的必要工作。

转盘误差测量方式包括单项误差测量、综合误差测量及整体误差测量三种。转盘单项误差的测量仪器主要包括转盘测量中心、三坐标测量机及工业相机、显微镜头等设备,转盘测量中心通常采用圆柱坐标进行测量，三坐标测量机通常采用笛卡尔坐标进行测量。光电检测技术在转盘偏心等误差的检测中也早有应用。采用光电探头测量匀速转动转盘上圆周均布的刻线或孔位置处的光调制信号，分析信号频率变化的幅度，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，且无法得到偏心角，无法指导偏心调节。郑大腾(关节臂坐标测量机圆光栅偏心误差建模及修正研究[J].电子测量与仪器学报,2016,30(10):1568-1574.)提出采用坐标测量机测量圆光栅误差，艾晨光(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，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。王笑一等(非对径安装双读数头圆光栅偏心测角误差修正[J].光学精密工程,2021,29(05):1103-1114.)也采用双读数头测量圆光栅偏心误差，其测量设备贵，不具有普遍性意义。

本申请人在2019年提出的“一种基于调制周期光电检测的转盘偏心误差测量方法”(CN110617784A,2019.12.27.)作为一种低成本、高效率的偏心值和偏心角度测量方法，为转盘类部件的偏心或同轴度的调节提供依据；但是实际应用中发现由于整周内周期变化量的取值误差，在计算转盘偏心角度时出现在±π附近会出现较大的异常、甚至是无理值情况，存在无法准确测量的“死角”。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于全周调制信号周期的转盘偏心角测量方法，采用了更简单的计算过程，并提出异常剔除的优化方法以消除转盘偏心角度异常，提高偏心测量精度。

本发明是这样实现的，

一种基于全周调制信号周期的转盘偏心角测量方法,

a、测量的转盘零件的盘齿数或刻线数n；设置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调制整周期是否开始或结束，若不是，则重复判断，若是则开始测量，记录当期计数器数据v_i，并上传给上位机；i＝i+1；

d、判断检测是否结束：若i＝n，则检测结束，转至步骤e；否则，返回步骤c；

e、计算调制信号每个刻线对应的周期：

其中：f_c为计数器计数频率；i＝1,2，…，n，为调制信号周期的顺序号；

f、计算转盘位置初角θ_0i；

g、判断n个θ_0i中的异常值，θ_0i为异常的判别条件：

θ_0i-θ_0m≥θ_0lim

其中：θ_0m为n个θ₀的均值；θ_0lim为异常阈值，取θ_0i的标准差；

若θ_0i为异常时，θ_0i＝0，为无效值；否则为有效值；

h、剔除异常后其它的θ_0i平均值为θ₀：

其中：n’为转盘一转内n个θ_0i非异常的个数；n’＝n-n_d，n_d为转盘一转内n个θ_0i角度异常值的个数；

i、根据平均值θ₀计算转盘偏心初角

进一步地，测量前，垂直于转盘设置调制光电对管，调制光电对管的检测线在转盘零件的盘齿或刻线的位置标记为A，处于转盘的刻线或齿的圆周环带内；

转盘通过连接轴与直流电机同轴固定连接，零位销的轴心线与连接轴垂直设置，且转盘安装时保证转盘某个盘齿或刻线起始边与轴心线在转盘上的投影共线，连接轴轴心线与检测线平行；

当转盘以转轴匀速转动时，转轴的转速为f₀，单位为Hz，连接轴在转盘上的投影为O；转盘的周向有n个均布的刻线或齿，转盘中心为O’；OO’与O’A的夹角为转盘位置角，初值为θ₀，OO’与OA的夹角为转盘偏心角，初值为

进一步地，计算转盘位置初角θ_0i：

其中：i为转盘转动过程中依次通过测量位置A的刻线或齿的序号，即连续测量周期的序号，i＝1,…,n；R为整周内n周期的最大与最小值之差，即整周内周期变化量，整周指的是转盘旋转一周，周期指的是转盘转动时，转盘上透光的地方产生的信号值生成的方波信号的调制周期；ΔT_i＝T_M-T_i为转盘一周内每个调制周期的偏差；T_i为第i个调制信号周期值，T_M为转盘一周内调制信号周期值的均值；根据ΔT_i/R的增减性，取正负号：当处于递减区间时，式中取“+”，否则取“-”；

进一步地，

计算转盘偏心初角

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明方法为转盘类部件的同轴调节提供依据。通过连续测量转盘光电调制信号周期值，计算计算转盘一周内周期值的均值和变化量R，以每个周期与均值的偏差与整周内周期变化量R的比值计算偏心角度，剔除异常后取平均，从而消除R取值误差引起的异常角度误差。与现有的方法比较，该方法成本低、操作简单、精度高、效率高，可以为转盘类部件的同轴度调节提供了依据。

附图说明

图1为本发明旋转光闸调制周期光电检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的转盘存在偏心角度的原理图；

图3为本发明方法实现结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1结合图2所示，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个光电对管分别为零位光电对管8和调制光电对管5，零位光电对管8对准旋转光闸机构的零位销3，调制光电对管5对准被测转盘检测位置A，与旋转光闸机构连接，A为检测线在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1的连接轴2与直流电机6同轴固定连接，通过电源线稳流电源7与直流电机6相连，在测量的初始位置，连接轴2轴线、零位销3轴心线B与检测线三者共面，且转盘安装时保证转盘某个盘齿或刻线起始边与轴心线B在转盘上的投影共线，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，连接轴2轴心线与检测线平行，垂直距离为a，轴心线B与连接轴2轴线垂直，检测线在转盘上的检测点为A。转盘的实际轴心为O’，在转盘平面内，如图2所示，实际轴心O’与连接轴2轴线在转盘平面的交点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θ₀为转盘位置初角，零位直线OO’与OA的夹角为转盘偏心角，初值为

参见图3所示，基于全周调制信号周期的转盘偏心角测量方法，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n个(n为转盘零件的盘齿或刻线的个数)周期后，获得n个调制周期的周期计数值v_i；通过计算求得转盘偏心位置角θ₀和

实现流程如图3所示，包括以下步骤：/>

a、光电检测装置设置测量的转盘零件的盘齿数或刻线数n；设置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)判断调制整周期是否开始或结束，若不是，则重复判断，若是则开始测量，记录当期计数器数据v_i，并上传给上位机；i＝i+1；

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

e、计算调制信号每个刻线对应的周期：

其中：f_c为计数器计数频率；i＝1,2，…，n，为调制信号周期的顺序号；

f、计算转盘位置初角θ_0i：

其中：R为整周内n周期的最大与最小值之差，即整周内周期变化量；ΔT_i＝T_M-T_i为转盘一周内每个调制周期的偏差；T_i为第i个调制信号周期值，T_M为转盘一周内调制信号周期值的均值；根据ΔTi/R的增减性，取正负号：当处于递减区间时，式(2)中取“+”，否则取“-”；

g、判断n个θ_0i中的异常值，θ_0i为异常的判别条件：

θ_0i-θ_0m≥θ_0lim (3)

其中：θ_0m为n个θ₀的均值；θ_0lim为异常阈值，可取θ_0i的标准差；若θ_0i为异常时，θ_0i＝0，为无效值；否则为有效值；

h、剔除异常后其它的θ_0i平均值为θ₀：

其中：n’为转盘一转内n个θ_0i非异常的个数；n’＝n-n_d，n_d为转盘一转内n个θ_0i角度异常值的个数。

i、转盘偏心初角

按下式计算：

j、结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于全周调制信号周期的转盘偏心角测量方法,其特征在于：

a、测量的转盘零件的盘齿数或刻线数n；设置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调制整周期是否开始或结束，若不是，则重复判断，若是则开始测量，记录当期计数器数据v_i，并上传给上位机；i＝i+1；

d、判断检测是否结束：若i＝n，则检测结束，转至步骤e；否则，返回步骤c；

e、计算调制信号每个刻线对应的周期：

其中：f_c为计数器计数频率；i＝1,2，…，n，为调制信号周期的顺序号；

f、计算转盘位置初角θ_0i；

g、判断n个θ_0i中的异常值，θ_0i为异常的判别条件：

θ_0i-θ_0m≥θ_0lim

其中：θ_0m为n个θ₀的均值；θ_0lim为异常阈值，取θ_0i的标准差；

若θ_0i为异常时，θ_0i＝0，为无效值；否则为有效值；

h、剔除异常后其它的θ_0i平均值为θ₀：

其中：n’为转盘一转内n个θ_0i非异常的个数；n’＝n-n_d，n_d为转盘一转内n个θ_0i角度异常值的个数；

i、根据平均值θ₀计算转盘偏心初角

计算转盘位置初角θ_0i：

其中：i为转盘转动过程中依次通过测量位置A的刻线或齿的序号，即连续测量周期的序号，i＝1,…,n；R为整周内n周期的最大与最小值之差，即整周内周期变化量，整周指的是转盘旋转一周，周期指的是转盘转动时，转盘上透光的地方产生的信号值生成的方波信号的调制周期；ΔT_i＝T_M-T_i为转盘一周内每个调制周期的偏差；T_i为第i个调制信号周期值，T_M为转盘一周内调制信号周期值的均值；根据ΔT_i/R的增减性，取正负号：当处于递减区间时，式中取“+”，否则取“-”；

计算转盘偏心初角

2.按照权利要求1所述的基于全周调制信号周期的转盘偏心角测量方法,其特征在于，

测量前，垂直于转盘设置调制光电对管，调制光电对管的检测线在转盘零件的盘齿或刻线的位置标记为A，处于转盘的刻线或齿的圆周环带内；

转盘通过连接轴与直流电机同轴固定连接，零位销的轴心线与连接轴垂直设置，且转盘安装时保证转盘某个盘齿或刻线起始边与轴心线在转盘上的投影共线，连接轴轴心线与检测线平行；

当转盘以转轴匀速转动时，转轴的转速为f₀，单位为Hz，连接轴在转盘上的投影为O；转盘的周向有n个均布的刻线或齿，转盘中心为O’；OO’与O’A的夹角为转盘位置角，初值为θ₀，OO’与OA的夹角为转盘偏心角，初值为

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