CN116608795A - 一种高精度电机角位移测量装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度电机角位移测量装置及测试方法，主要包括机架，随动机构以及激光测角装置。机架由电机安装板、编码器安装板、底板以及支撑柱构成。随动机构主要由编码器、超声电机、电机输入轴、编码器安装轴和反射镜安装架构成。激光测角装置由激光干涉仪、干涉镜、反射镜及其安装组件构成。随动机构与激光测角装置均安装在机架上。激光干涉仪与反射镜固定在底板上，反射镜固定在随动机构上，当随动机构上超声电机未启动时，反射镜随被测电机一起转动。采用一组干涉镜与反射镜结合随动机构实现了被测电机高精度角位移和角速度测量，测量误差累计小，测量精度优于±0.015″。
Description
技术领域
本发明属于电机精密测量技术领域，具体涉及一种高精度电机角位移测量装置及测试方法。
背景技术
随着现代工业技术的发展，对电机的性能要求越来越高，也需要一套高效、高精度的测试系统来满足高性能电机发展的测试需求。电机的角位移输出分辨率和角速度输出的稳定程度是电机输出特性中最为重要的参数之一，由于零件加工装配等误差，电机转轴在不同位置时，输出性能具有差异。目前电机的角速度和角位移的精密测量主要依赖各类光栅编码器，在加工工艺不变的情况下，编码器的精度受码盘大小影响，而较大尺寸的编码器造价高昂，装配要求高，适配性差。
激光干涉仪以光波为载体，利用激光作为长度基准，是迄今公认的高精度、高灵敏度的测量仪器。激光干涉仪角度测量需要角度干涉镜和角度反射镜，并且角度反射镜和角度干涉镜必须有一个相对旋转。相对旋转后，会导致角度测量的两束光的光程差发生变化，而光程差的变化会被激光干涉仪探测器探测出来，由公式α＝sin-1(δ/A)可以将线性位置的变化转换为角度的变化。目前，激光干涉仪测角精度优于0.01角秒，测量频率易于达到100kHz，比现有的光栅编码器测角精度更高，速度更快，但是激光干涉仪在进行角度测量时需要保证全程能够接收到激光，反射镜的偏转被限制在一个较小的范围内，难以满足电机整圈或多圈转动角度范围内的测量。
超声电机利用了压电材料的逆压电效应，在压电材料上施加交流信号产生交变电场，进而激发出定子基体在超声频段内的振动，并将这一振动放大，通过摩擦作用转换为电机转子的运动，作为功率输出并驱动其他负载。因其摩擦驱动的方式，超声电机具有锁止刚度高、响应迅速、起停控制性好，位移分辨率高的特点。
发明内容
本发明的目的在于解决激光干涉仪反射镜旋转角度有限的问题，并实现被测电机高精度角位移和角速度的测量，测量误差累计小，测量精度优于±0.015″，提供一种高精度电机角位移测量装置及测试方法；
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高精度电机角位移测量装置，包括：机架、随动机构、电机安装板、编码器安装板、激光干涉仪、干涉镜以及反射镜，所述干涉镜、激光干涉仪、编码器安装板以及电机安装板依次安装在机架上；
所述随动机构包括电机输入轴、编码器、编码器安装轴、超声电机固定端盖、反射镜安装盘以及超声电机，所述电机输入轴与被测电机的输出端相连接，所述电机输入轴设置在电机安装板上，所述电机输入轴与编码器安装轴的顶端固定连接，所述编码器内圈固定在编码器安装轴上，所述编码器外圈活动连接在编码器安装板上，所述超声电机的输出轴通过超声电机固定端盖和编码器安装轴安装在编码器安装轴的底端，所述反射镜通过反射镜安装盘固定安装在超声电机上；
所述超声电机关闭且被测电机启动时，超声电机的外壳与超声电机的输出轴锁死，反射镜随被测电机转动，所述超声电机启动且被测电机关闭时，反射镜随超声电机的外壳转动而返回初始位置。
进一步地，所述编码器安装轴与电机输入轴同轴固定在一起形成整根轴，所述电机输入轴通过第一深沟球轴承安装在电机安装板上，将所述第一深沟球轴承的径向和轴向均进行固定形成整根轴的固定端，所述编码器安装轴通过第二深沟球轴承安装在编码器安装板上，将所述第二深沟球轴承的径向进行固定和轴向留有缝隙形成整根轴的游动端。
进一步地，所述机架包括底板和支撑柱，所述支撑柱固定在底板上，所述编码器安装板固定安装在支撑柱的中段，所述电机安装板固定安装在支撑柱的顶端，所述激光干涉仪通过激光干涉仪固定板安装在底板上，所述干涉镜通过干涉镜支架安装在底板上。
进一步地，所述激光干涉仪固定板和干涉镜支架分别通过长圆孔与底板滑动连接。
本发明还提供了一种高精度电机角位移测量装置的测试方法，所述方法基于权利1-4任一项所述的高精度电机角位移测量装置，所述方法包括：
步骤S1：编码器归零，激光干涉仪预热，系统初始化；
步骤S2：被测电机启动，带动随动机构上编码器及反射镜转动，编码器记录此时电机转动角度θ0；
步骤S3：反射镜偏转角度接近激光干涉仪测角量程时，关闭被测电机，编码器记录此时电机转动角度θ1，并通过激光干涉仪测量计算出该段角度θ1-θ0内被测电机的转动角度，接着随动机构上超声电机启动快速将反射镜置于初始位置；
步骤S4：重复S2和S3步骤，直至电机转动超过一周，得到各段角度内激光干涉仪所测得的数据，基于编码器与激光干涉仪的数据，将各段角度内激光干涉仪所测得的数据整合，并将其输入处理器处理，处理器输出被测电机的最终角位移和角速度的信息，其中各段角度为θi-θi-1。
有益效果：
1、采用一组干涉镜与反射镜结合随动结构实现了被测电机高精度角位移、角速度测量，测量误差累计小，测量精度优于±0.015″，相比于传统装调测试，不仅方便快捷，而且测量更加精准，测量范围也更大。
2、相较于编码器测量，本方案采用激光干涉仪进行测量可以得到被测电机更高精度角位移和角速度数据。
3、相较于传统激光干涉仪测量方式，本方案设计了一种随动机构，该机构结合编码器或激光干涉仪数据来控制超声电机，从而可以调节反射镜的位置，避免了激光干涉仪反射镜旋转角度有限的问题。随动机构采用超声电机作为驱动，可以保证反射镜与编码器安装轴的连接刚性。随动机构的轴系组件上均设有安装凸台以保证整体轴系的同轴度。随动机构的轴由电机输入轴和编码器安装轴组成，采用双端支撑，一端固定一端游动的设计，该设计便于编码器的安装，可以减小轴端跳动以及避免轴系热变形的影响。
4、本方案还提出了一种测试方法，该方法可以综合编码器与激光干涉仪的数据，得到被测电机旋转一圈或多圈角度内的高精度角位移和角速度信息。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图；
图2为本发明的结构剖面示意图；
图3为本发明的控制方案流程示意图。
图中标记：1、电机安装板，2、编码器安装板，3、支撑柱，4、电机输入轴，5、编码器，6、编码器安装轴，7、电机转接板，8、超声电机固定端盖，9、反射镜安装盘，10、底板，11、激光干涉仪固定板，12、干涉镜支架，13、第一深沟球轴承，14、超声电机，15、激光干涉仪，16、反射镜，17、干涉镜，18、第一锁紧螺母，19、第二锁紧螺母，20、第三锁紧螺母，21、被测电机，22、第二深沟球轴承。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1和图2所示，本发明提供了一种高精度电机角位移测量装置，包括：机架、随动机构、电机安装板1、编码器安装板2、激光干涉仪15、干涉镜17以及反射镜16。干涉镜17、激光干涉仪15、编码器安装板2以及电机安装板1依次安装在机架上。其中，激光干涉仪可以由公式α＝sin-1(δ/A)测出反射镜偏转角度，式中：α为所测角度，最大偏转角度±5°；δ为测量光和参考光的光程差；A为反射镜臂长值。
随动机构包括电机输入轴4、编码器5、编码器安装轴6、超声电机固定端盖8、反射镜安装盘9以及超声电机14。电机输入轴4与被测电机21的输出端相连接，电机输入轴4设置在电机安装板1上，电机输入轴4与编码器安装轴6的顶端固定连接。编码器5内圈固定在编码器安装轴6上，编码器5外圈活动连接在编码器安装板2上，该轴系设计可以尽量保证编码器安装轴6与电机输入轴4的同轴度，减小轴端跳动。超声电机14的输出轴通过超声电机固定端盖8和编码器安装轴6安装在编码器安装轴6的底端，反射镜16通过反射镜安装盘9固定安装在超声电机14上。
超声电机14关闭且被测电机21启动时，超声电机14的外壳与超声电机14的输出轴锁死，反射镜16随被测电机21转动，超声电机14启动且被测电机21关闭时，反射镜16随超声电机14的外壳转动而返回初始位置。
本实施例中，电机输入轴4的下端设有定位凸台，与编码器5安装配合。超声电机14的外壳上设有与其输出轴同轴的圆形凸台，与反射镜安装盘9配合。编码器安装轴6采用中空结构，内外圈同轴。随动机构采用超声电机14进行驱动，超声电机14的自锁特性可以保证被测电机转动时整个轴系的刚度，提高激光干涉仪15的测量精度。
编码器安装轴6与电机输入轴4通过螺钉同轴固定在一起形成整根轴，电机输入轴4通过第一深沟球轴承13安装在电机安装板1上，将第一深沟球轴承13的径向和轴向均进行固定形成整根轴的固定端，编码器安装轴6通过第二深沟球轴承22安装在编码器安装板2上，将第二深沟球轴承22的径向进行固定和轴向留有缝隙形成整根轴的游动端，以减小热变形对轴系的影响。
机架包括底板10和支撑柱3，底板10用于承载整个平台。支撑柱3底部通过第二锁紧螺母19固定在底板上。电机安装板1和编码器安装板2由三个支撑柱3固定在底板10上，编码器安装板2通过第三锁紧螺母20固定安装在支撑柱3的中段，电机安装板1通过第一锁紧螺母18固定安装在支撑柱3的顶端。激光干涉仪15通过激光干涉仪固定板11安装在底板10上，激光干涉仪固定板11通过长圆孔与底板10滑动连接，便于激光干涉仪15左右调节。干涉镜17通过干涉镜支架12安装在底板10上，干涉镜支架12通过长圆孔与底板10滑动连接，便于干涉镜17前后调节。
相较于传统激光干涉仪测量方式，上述方案设计了一种随动机构，该机构可以通过控制超声电机14的开启和关闭来旋转调节反射镜16的位置，避免了激光干涉仪15的反射镜16旋转角度有限的问题。随动机构采用超声电机14作为驱动，可以保证反射镜16与编码器安装轴6的连接刚性。随动机构的轴系组件上均设有安装凸台以保证整体轴系的同轴度。随动机构的轴由电机输入轴4和编码器5安装轴组成，采用双端支撑，一端固定一端游动的设计，该设计便于编码器的安装，可以减小轴端跳动以及避免轴系热变形的影响。
如图3所示，本发明还提供了一种高精度电机角位移测量装置的测试方法，该方法基于权利1-5任一项所述的高精度电机角位移测量装置，该方法包括：
步骤S1：编码器归零，激光干涉仪预热，系统初始化；
步骤S2：被测电机启动，带动随动机构上编码器及反射镜转动，编码器记录此时电机转动角度θ0；
步骤S3：反射镜偏转角度接近激光干涉仪测角量程时，关闭被测电机，编码器记录此时电机转动角度θ1，并通过激光干涉仪测量计算出该段角度θ1-θ0内被测电机的转动角度，接着随动机构上超声电机启动快速将反射镜置于初始位置；
步骤S4：重复S2和S3步骤，直至电机转动超过一周，得到各段角度内激光干涉仪所测得的数据，基于编码器与激光干涉仪的数据，将各段角度内激光干涉仪所测得的数据整合，并将其输入处理器处理，处理器输出被测电机的最终角位移和角速度的信息，其中各段角度为θi-θi-1。
步骤S3中，随动机构上超声电机14反转角度由激光干涉仪15确定，此角度数据不计入被测电机测量数据。
步骤S4中，被测电机可以旋转多圈。另外，所述被测电机包括超声电机，电磁电机等输出角位移的执行器。
上述方法可以综合编码器与激光干涉仪的数据，得到被测电机旋转一圈或多圈角度内的高精度角位移和角速度信息。
本发明提供了一种高精度电机角位移测量装置及测试方法，采用一组干涉镜与反射镜结合随动机构实现了被测电机高精度角位移、角速度测量，测量误差累计小，测量精度优于±0.015″。相比于传统装调测试，不仅方便快捷，而且测量更加精准，测量范围也更大。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种高精度电机角位移测量装置，其特征在于，包括：机架、随动机构、电机安装板(1)、编码器安装板(2)、激光干涉仪(15)、干涉镜(17)以及反射镜(16)，所述干涉镜(17)、激光干涉仪(15)、编码器安装板(2)以及电机安装板(1)依次安装在机架上；
所述随动机构包括电机输入轴(4)、编码器(5)、编码器安装轴(6)、超声电机固定端盖(8)、反射镜安装盘(9)以及超声电机(14)，所述电机输入轴(4)与被测电机(21)的输出端相连接，所述电机输入轴(4)设置在电机安装板(1)上，所述电机输入轴(4)与编码器安装轴(6)的顶端固定连接，所述编码器(5)内圈固定在编码器安装轴(6)上，所述编码器(5)外圈活动连接在编码器安装板(2)上，所述超声电机(14)的输出轴通过超声电机固定端盖(8)和编码器安装轴(6)安装在编码器安装轴(6)的底端，所述反射镜(16)通过反射镜安装盘(9)固定安装在超声电机(14)上；
所述超声电机(14)关闭且被测电机(21)启动时，超声电机(14)的外壳与超声电机(14)的输出轴锁死，反射镜(16)随被测电机(21)转动，所述超声电机(14)启动且被测电机(21)关闭时，反射镜(16)随超声电机(14)的外壳转动而返回初始位置。
2.根据权利要求1所述高精度电机角位移测量装置，其特征在于，所述编码器安装轴(6)与电机输入轴(4)同轴固定在一起形成整根轴，所述电机输入轴(4)通过第一深沟球轴承(13)安装在电机安装板(1)上，将所述第一深沟球轴承(13)的径向和轴向均进行固定形成整根轴的固定端，所述编码器安装轴(6)通过第二深沟球轴承(22)安装在编码器安装板(2)上，将所述第二深沟球轴承(22)的径向进行固定和轴向留有缝隙形成整根轴的游动端。
3.根据权利要求1所述高精度电机角位移测量装置，其特征在于，所述机架包括底板(10)和支撑柱(3)，所述支撑柱(3)固定在底板上，所述编码器安装板(2)固定安装在支撑柱(3)的中段，所述电机安装板(1)固定安装在支撑柱(3)的顶端，所述激光干涉仪(15)通过激光干涉仪固定板(11)安装在底板(10)上，所述干涉镜(17)通过干涉镜支架(12)安装在底板(10)上。
4.根据权利要求3所述高精度电机角位移测量装置，其特征在于，所述激光干涉仪固定板(11)和干涉镜支架(12)分别通过长圆孔与底板(10)滑动连接。
5.一种高精度电机角位移测量装置的测试方法，其特征在于，所述方法基于权利1-4任一项所述的高精度电机角位移测量装置，所述方法包括：
步骤S1：编码器归零，激光干涉仪预热，系统初始化；
步骤S2：被测电机启动，带动随动机构上编码器及反射镜转动，编码器记录此时电机转动角度θ0；
步骤S3：反射镜偏转角度接近激光干涉仪测角量程时，关闭被测电机，编码器记录此时电机转动角度θ1，并通过激光干涉仪测量计算出该段角度θ1-θ0内被测电机的转动角度，接着随动机构上超声电机启动快速将反射镜置于初始位置；
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