CN216669456U - 用于分析式铁谱仪的四点支撑机电式自动调平装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于分析式铁谱仪的四点支撑机电式自动调平装置，包括铁谱仪底座平台、机电式调平装置和平台托架，铁谱仪底座平台与平台托架之间设置有机电式调平装置，机电式调平装置包括步进电机、螺纹轴套机构和球铰支座，步进电机设置在平台托架上，球铰支座设置在铁谱仪底座平台下端面上的调节点上，螺纹轴套机构一端与球铰支座的下端面连接，另一端与步进电机的输出轴连接，铁谱仪底座平台的下端面上还设置有MEMS双轴倾角传感器，平台托架的上端面上还设置有控制装置，控制装置与MEMS双轴倾角传感器和步进电机进行数据传输，通过电源线分别给MEMS双轴倾角传感器和步进电机。

Description

用于分析式铁谱仪的四点支撑机电式自动调平装置

技术领域

本实用新型涉及一种调平系统，特别是涉及一种用于分析式铁谱仪的四点支撑机电式自动调平装置。

背景技术

铁谱分析技术是利用高梯度强磁场的作用，从装备润滑系统内采集的油样中分离出磨损颗粒，并借助不同仪器检验分析这些磨损颗粒的形貌、大小、数量、成分，从而监测装备的运转工况的一门技术。

目前，常用的铁谱分析仪器是T₂FM分析式铁谱仪，它的主要作用是制备出能反映装备磨损状况的合格的铁谱片，铁谱片上设有U型限流带，可以保证磨粒有序沉积在U型限流带内，但是这种铁谱片的限流带很薄，且油液在铁谱片上的流动是一个由高到低自然向下流动的过程，如果铁谱仪底座倾斜，铁谱片很可能左右倾斜，油样会溢出铁谱片的限流带，影响磨粒的正常有序沉积，所以，铁谱仪在使用过程之前必须对底座进行调平，通过人工调节铁谱仪底座的四个高度调节螺钉，使铁谱仪机体在四个螺钉的支撑下保持水平，即右上角的水平仪气泡在内环中央。

但通过人工来调整螺钉的高度，目前主要有以下不足：

a油液监控检测设备不能仅限于满足原地检测，还必须能够方便携带，转厂迅速，以方便不同地方使用；原有的底座调平系统，主要依靠人工找平，当调节其中一个螺钉的时候，会对其它点产生影响，因此需要多次调节，过程繁琐，误差较大；

b原有的调平方式，调整周期长，影响油液的快速检测，降低油液检测率；

c在铁谱片制备过程中，由于仪器振动或人为因素的影响，也会造成调平螺母的松动，进而影响制作铁谱片的质量，甚至造成谱片报废。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种调节效率高的用于分析式铁谱仪的四点支撑机电式自动调平装置。

对于平台的支撑方式，从控制逻辑方面考虑，主要有1点、3点、4点等支撑作为备选方案，并且每一种支撑方式都有它自己的优缺点和适用场合；1点支撑适用于平台只升只降，但不能调节水平度；3点支撑承受不起大的载荷，稳定性差，想要克服这个缺陷也能靠增大支撑跨距；6点支撑虽有较强的抗倾覆能力，并且承重力大，但是结构复杂，会出现高次超静定和“虚腿”现象，控制起来困难，软件不易实现，大大增加了成本；4点支撑相对其他几种支撑方式承重能力较高，稳定性强，控制相对较易，虽然有“虚腿”现象，但是可以控制；考虑到成本的限制，并且本系统的载体只有不到10千克，并且整体体积较小，这里采用4点支撑的方案最为适合。

对于4点支撑的“虚腿”，可以通过“电流比较法”来消除“虚腿”，虚腿的表现为有一条腿受力过小，因为4条支撑腿的受力和步进电机的扭矩成正比，而步进电机的扭矩直接反应了电流的大小，通过比较每一条支撑腿驱动器的电流值，就可以判断哪条是“虚腿”。

首先，所述单片机从四个驱动器内采集读取四个所述步进电机的电流值，得出电流的平均值，并依次判断四个电机电流是否大于设定的安全值，安全值根据电机的最大扭矩决定，若大于安全值，则停机报警；然后依次判断四个电机的电流是否小于平均值，若存在，则说明虚腿存在，需要补偿电机角度；这种方法的优点是没有增加传感器或其他硬件设备，从而使得调平系统结构简单，降低了开发成本，同时还可以达到消除“虚腿”的目的。

传动机构作为整个系统的执行机构，如果能够快速准确的按照控制装置发出的指令实现调平，那么就可以大大提高系统的调平精度和缩短调平时间，目前，自动调平系统主要有液压式和机电式两种传动方式。

机电传动就是电动机通过传动机构带动执行机构工作的方式，与液压式传动相比较，系统结构相对简单，布置灵活，控制成本低，环境适应能力强，反应速度快，调节精度高。

综上分析，考虑到本系统的实际要求，这里选择机电式传动更为适合。

步进电机运行工作时，一经位置锁定电机就不再运转，可实现精确定位控制，另外，它还具有体积小、使用成本低、容易控制的特点，但控制精度不如直流和交流电机好，由于本系统的载荷较小，位置精度并没有严格要求，主要是确保调节的水平度，经过综合分析，这里采用步进电机最合适。

MEMS双轴倾角传感器是一种基于惯性原理的加速度传感器，能够把MCU，MEMS加速度计、模数转换电路和通讯单元集成在一起，用于测量以水平面为参考平面的双轴倾角变化，并能直接输出倾角等数据，选用MEMS双轴倾角传感器作为调平传感器，由“任意两条相交的直线能确定一个平面”可知，在作业平台的调平过程中，当把两条相交直线调至水平状态即可说明由它们所确定的平面已经实现了调平，在平台上放置一个高精度双轴倾角传感器，通过测量X轴和Y轴两个方向的倾斜角度来判断作业平台是否保持水平。

首先建立它在水平状态和非水平下的静力学方程；

重力加速度g在两个灵敏轴X，Y上的分量可表示为:

g_X＝g sinα′g_Y＝g sinβ′ (1)

α′：X轴的控制精度

β′：Y轴的控制精度

a：P2到P1或P3到P4之间的水平直线距离

b：P1到P4或P2到P3之间的垂直直线距离

由于总的倾斜度可以看做是水平面与实际铁谱仪平台两个平面的夹角，α和β分别是实际铁谱仪平台与水平面的法向量(重力方向)两个坐标分量的夹角。

我们设定两个坐标轴相互垂直，所以调平水平度A_L：

其中：高精度双轴倾角传感器的两个灵敏轴的控制精度α′，β′＝±0.1°，因此仪器调平精度可达A_L＝0.14°，满足本系统要求。

利用以上技术选择，为解决背景技术问题所采取的技术方案是：

一种用于分析式铁谱仪的四点支撑机电式自动调平装置，包括铁谱仪底座平台、机电式调平装置和平台托架，所述铁谱仪底座平台与所述平台托架之间设置有所述机电式调平装置，所述机电式调平装置包括步进电机、螺纹轴套机构和球铰支座，所述步进电机设置在所述平台托架上，所述球铰支座设置在所述铁谱仪底座平台下端面上的调节点上，所述螺纹轴套机构一端与所述球铰支座的下端面连接，另一端与所述步进电机的输出轴连接，所述铁谱仪底座平台的下端面上还设置有MEMS双轴倾角传感器，所述平台托架的上端面上还设置有控制装置，所述控制装置通过有线或无线分别与所述MEMS双轴倾角传感器和所述步进电机进行数据传输，通过电源线分别给所述MEMS双轴倾角传感器和所述步进电机进行供电。

所述铁谱仪底座平台下端面的调节点设置有四个，四个所述调节点上均分别设置有一个所述球铰支座，所述步进电机设置有四个，四个所述步进电机均设置在所述平台托架的上端面上与四个所述调节点对应处，每个所述步进电机与所述球铰支座之间均设置有一个所述螺纹轴套机构。

所述螺纹轴套机构包括螺纹轴和螺纹套，所述螺纹套的一端与所述球铰支座的下端面连接，另一端利用其上的螺纹同所述螺纹轴的一端连接在一起，且所述螺纹套能够绕着所述螺纹轴旋转，所述螺纹轴的另一端与所述步进电机的输出轴连接在一起，且所述螺纹轴与所述步进电机的所述输出轴同步转动。

所述控制装置内设置有处理器模块和电源模块，所述处理器模块包括单片机MCU，所述单片机通过四个单独的驱动器分别与四个所述步进电机单独连接，所述步进电机为丝杠步进电机，所述单片机上还连接有丝杠限位传感器、显示屏和交互式小键盘；所述电源模块包括锂电池包和电量计，由充电器将220V交流电转换成12V的直流电对所述锂电池包进行充电，然后利用12V的直流电给所述控制装置、MEMS双轴倾角传感器和所述步进电机进行供电，所述锂电池包上还连接有用于计量所述锂电池包电量的电量计。

对上述用于分析式铁谱仪的四点支撑机电式自动调平装置进行调平的调平方法：

采用四点调平法、矩形布置的方式将四套螺纹轴套机构借助球铰支座分别置于铁谱仪底座下端面的四个调节点正下方，四个调节点分别设置在铁谱仪底座下端面上的四个角上；

在所述平台托架上与四个所述调节点相对应处均设置一个所述步进电机，并将所述步进电机的输出轴与所述螺纹轴套机构连接在一起；

在所述平台托架的上端面上设置一个控制装置，在铁谱仪底座的下端面上设置一个MEMS双轴倾角传感器，将控制装置通过无线或有线与所述MEMS双轴倾角传感器和所述步进电机连接；

所述MEMS双轴倾角传感器通过测量X轴和Y轴两个方向的倾斜角度来判断铁谱仪底座是否保持水平，并将检测信息输送到控制装置；

所述控制装置接收来自所述MEMS双轴倾角传感器的检测信息，基于逐高式调平技术，利用调平算法得出用于驱动机电式调平装置上各个所述步进电机的脉冲信号数量，根据计算出的脉冲信号数量，驱动相对应的所述步进电机转动，利用螺纹套和螺纹轴之间的螺旋传动将所述螺纹轴的旋转运动转化成螺纹套和所述球铰支座沿着Z轴的直线运动，实现所述调节点的逐高式调平。

所述逐高式调平技术的具体体现是它的最高调节点，一旦确定位于最高点的调节点后，便将其作为调平最高点不动，其他调节点逐个提升，

具体为：根据铁谱仪底座平台在X轴和Y轴方向的倾斜角度值来确定铁谱仪底座平的基准点，然后利用调平算法内的矩阵计算其它三个调节点在与水平面垂直的Z轴上的举升高度调节量，随后控制装置依据四个调节点的举升高度调节量，利用步进电机的步距角和螺纹轴套机构的螺距，分别计算出在铁谱仪底座平台调平时需要给每一个所述步进电机所发送的步进脉冲信号的数量，所述步进电机在这些脉冲信号的作用下，驱动螺纹轴套机构沿着Z轴提升处于低点的三个调节点的高度，使其与位于最高点的调节点平齐，实现对铁谱仪底座平台调平的目的。

所述步进电机的步距角是指控制装置每发送一个步进脉冲信号电机输出轴所转动的角度，在调平Pi(i＝1,2,3,4)调节点时，则控制装置需要发送的步进脉冲信号的数量(N_PS)可计算如下：

其中：N_PS是步进电机步进次数；

θ是步进电机步距角；

P是螺纹轴的螺距；

Z_Pi调节点的Z轴高度。

本实用新型的积极有益效果是：

本实用新型利用MEMS双轴倾角传感器采集铁谱仪底座平台的倾角信息，利用控制装置确定位于最高点的调节点，然后运用调平算法计算其它三个调节点的举升高度调节量，并在此基础上计算出对应于三个调节点的步进电机各自调平所需的步进脉冲数量，最后在步进电机的驱动下机电式调平机构采用逐高式调平方法调整调节点的高度，通过电流比较来消除虚腿，以使铁谱仪底座处于最佳的水平状态，极大提高了设备的可操作性，克服了人工调整螺钉高度带来的不足。

附图说明

图1是本实用新型用于分析式铁谱仪的四点支撑机电式自动调平装置的结构示意图1；

图2是本实用新型用于分析式铁谱仪的四点支撑机电式自动调平装置的结构示意图2；

图3是本实用新型中的整体框图；

图4是本实用新型中的整体电气框图；

图5是本实用新型中的电源电气框图；

图6是本实用新型中的铁谱仪倾角测量图；

图7是最高点不动调平法示意图；

图8是最高点不动调平法以及虚腿消除整体控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的解释和说明：

参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8，图中：1-铁谱仪底座平台，2-平台托架，3-步进电机，4-螺纹轴套机构，5-球铰支座，6-MEMS双轴倾角传感器，7-控制装置，8-调节点。

传动机构选择机电式传动；电机采用步进电机3，传感器6采用MEMS双轴倾角传感器6。

MEMS双轴倾角传感器6是一种基于惯性原理的加速度传感器6，能够把MCU，MEMS加速度计、模数转换电路和通讯单元集成在一起，用于测量以水平面为参考平面的双轴倾角变化，并能直接输出倾角等数据，选用MEMS双轴倾角传感器6作为调平传感器6，由“任意两条相交的直线能确定一个平面”可知，在作业平台的调平过程中，当把两条相交直线调至水平状态即可说明由它们所确定的平面已经实现了调平，在平台上放置一个高精度双轴倾角传感器6，通过测量X轴和Y轴两个方向的倾斜角度来判断作业平台是否保持水平。

实施例：一种用于分析式铁谱仪的四点支撑机电式自动调平装置，包括铁谱仪底座平台1、机电式调平装置和平台托架2，铁谱仪底座平台1与平台托架2之间设置有机电式调平装置，机电式调平装置包括步进电机3、螺纹轴套机构4和球铰支座5，步进电机3设置在平台托架2上，球铰支座5设置在铁谱仪底座平台1下端面上的调节点8上，螺纹轴套机构4一端与球铰支座5的下端面连接，另一端与步进电机3的输出轴连接，铁谱仪底座平台1的下端面上还设置有MEMS双轴倾角传感器6，平台托架2的上端面上还设置有控制装置7，控制装置7通过有线或无线分别与MEMS双轴倾角传感器6和步进电机3进行数据传输，通过电源线分别给MEMS双轴倾角传感器6和步进电机3进行供电。

铁谱仪底座平台1下端面的调节点8设置有四个，四个调节点8上均分别设置有一个球铰支座5，步进电机3设置有四个，四个步进电机3均设置在平台托架2的上端面上与四个调节点8对应处，每个步进电机3与球铰支座5之间均设置有一个螺纹轴套机构4。

螺纹轴套机构4包括螺纹轴和螺纹套，螺纹套的一端与球铰支座5的下端面连接，另一端利用其上的螺纹同螺纹轴的一端连接在一起，且螺纹套能够绕着螺纹轴旋转，螺纹轴的另一端与步进电机3的输出轴连接在一起，且螺纹轴与步进电机3的输出轴同步转动。

控制装置7内设置有处理器模块和电源模块，处理器模块包括单片机MCU，单片机通过四个单独的驱动器分别与四个步进电机3单独连接，步进电机3为丝杠步进电机3，单片机上还连接有丝杠限位传感器6、显示屏和交互式小键盘；电源模块包括锂电池包和电量计，由充电器将220V交流电转换成12V的直流电对锂电池包进行充电，然后利用12V的直流电给控制装置7、MEMS双轴倾角传感器6和步进电机3进行供电，锂电池包上还连接有用于计量锂电池包电量的电量计。

对于上述用于分析式铁谱仪的四点支撑机电式自动调平装置的调平方法，

采用四点调平法、矩形布置的方式将四套螺纹轴套机构4借助球铰支座5分别置于铁谱仪底座下端面的四个调节点8正下方，四个调节点8分别设置在铁谱仪底座下端面上的四个角上；

在平台托架2上与四个调节点8相对应处均设置一个步进电机3，并将步进电机3的输出轴与螺纹轴套机构4连接在一起；

在平台托架2的上端面上设置一个控制装置7，在铁谱仪底座的下端面上设置一个MEMS双轴倾角传感器6，将控制装置7通过无线或有线与MEMS双轴倾角传感器6和步进电机3连接；

MEMS双轴倾角传感器6通过测量X轴和Y轴两个方向的倾斜角度来判断铁谱仪底座是否保持水平，并将检测信息输送到控制装置7；

控制装置7接收来自MEMS双轴倾角传感器6的检测信息，基于逐高式调平技术，利用调平算法得出用于驱动机电式调平装置上各个步进电机3的脉冲信号数量，根据计算出的脉冲信号数量，驱动相对应的步进电机3转动，利用螺纹套和螺纹轴之间的螺旋传动将螺纹轴的旋转运动转化成螺纹套和球铰支座5沿着Z轴的直线运动，实现调节点8的逐高式调平。

最高点不动调平的控制方法是逐高式调平技术的一种具体体现，根据铁谱仪底座平台1在X轴和Y轴方向的倾斜角度值，由这两个倾斜角就能确定平台的最高支撑点，并以该点为目标，通过相应的驱动方式使其它各个支腿伸长，到达最高点时停止，这样就实现了调平功能，该方法算法简单，实现也较为容易。

对于调平算法：

以附图6为例：首先判断最高点的位置：

一旦确定位于最高点的调节点8后，便可将其作为调平的基准点，计算其它3个调节点8在与水平面垂直的Z轴上的举升高度调节量。

若P3为最高点，则四个调节点8的位置分别为：

若要得到四个调节点8在Z轴上的举升高度调节量，需利用位置反解进行理论计算。

其中绕X轴和Y轴的变换矩阵分别为

解算矩阵得

则坐标转换后

通过倾斜传感器6可知X轴倾角α和Y轴倾角β，

则△P₁、△P₂、△P₃、△P₄上沿着Z轴的分量就是举升高度调节量。

控制装置7的处理器模块依据4个调节点8的举升高度调节量，利用步进电机3的步距角、螺纹轴套机构4的螺距等数据，分别计算出在打印平台调平时需要给每一个步进电机3所发送的步进脉冲信号的数量，步进电机3在这些脉冲信号的作用下，驱动机电式调平装置沿着Z轴提升处于低点的3个调节点8的高度，使其与位于最高点的调节点8平齐，实现对打印平台调平的目的。

步进电机3的步距角是指控制装置7每发送一个步进脉冲信号电机输出轴所转动的角度，在调平Pi(i＝1,2,3,4)调节点8时，则控制装置7需要发送的步进脉冲信号的数量(N_PS)可计算如下：

其中：N_PS是步进电机3步进次数；

θ是步进电机3步距角；

P是螺纹轴的螺距；

Z_Pi调节点8的Z轴高度。

采用4点支撑方式对铁谱仪底座平台1进行支撑，通过“电流比较法”来消除4点支撑方式中的“虚腿”，虚腿的表现为有一条腿受力过小，因为4条支撑腿的受力和步进电机3的扭矩成正比，而步进电机3的扭矩直接反应了电流的大小，通过比较每一条支撑腿驱动器的电流值，就可以判断哪条是“虚腿”。

首先，单片机从四个驱动器内采集读取四个步进电机3的电流值得出电流的平均值，并依次判断四个电机电流是否大于设定的安全值，安全值根据电机的最大扭矩决定，若大于安全值，则停机报警；然后依次判断四个电机的电流是否小于平均值，若存在，则说明虚腿存在，需要补偿电机角度；这种方法的优点是没有增加传感器6或其他硬件设备，从而使得调平系统结构简单，降低了开发成本，同时还可以达到消除“虚腿”的目的。

本实用新型利用MEMS双轴倾角传感器6采集铁谱仪底座平台1的倾角信息，利用控制装置7确定位于最高点的调节点8，然后解算矩阵计算其它三个调节点8在与水平面垂直的Z轴上的举升高度调节量，并在此基础上计算出对应于三个调节点8的步进电机3各自调平所需的步进脉冲数量，最后在步进电机3的驱动下机电式调平机构采用逐高式调平方法调整调节点8的高度，通过电流比较来消除虚腿，以使铁谱仪底座处于最佳的水平状态，极大提高了设备的可操作性，克服了人工调整螺钉高度带来的不足。

当然，本实用新型创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种用于分析式铁谱仪的四点支撑机电式自动调平装置，包括铁谱仪底座平台、机电式调平装置和平台托架，其特征是：所述铁谱仪底座平台与所述平台托架之间设置有所述机电式调平装置，所述机电式调平装置包括步进电机、螺纹轴套机构和球铰支座，所述步进电机设置在所述平台托架上，所述球铰支座设置在所述铁谱仪底座平台下端面上的调节点上，所述螺纹轴套机构一端与所述球铰支座的下端面连接，另一端与所述步进电机的输出轴连接，所述铁谱仪底座平台的下端面上还设置有MEMS双轴倾角传感器，所述平台托架的上端面上还设置有控制装置，所述控制装置通过有线或无线分别与所述MEMS双轴倾角传感器和所述步进电机进行数据传输，通过电源线分别给所述MEMS双轴倾角传感器和所述步进电机进行供电。

2.根据权利要求1所述的用于分析式铁谱仪的四点支撑机电式自动调平装置，其特征是：所述铁谱仪底座平台下端面的调节点设置有四个，四个所述调节点上均分别设置有一个所述球铰支座，所述步进电机设置有四个，四个所述步进电机均设置在所述平台托架的上端面上与四个所述调节点对应处，每个所述步进电机与所述球铰支座之间均设置有一个所述螺纹轴套机构。

3.根据权利要求2所述的用于分析式铁谱仪的四点支撑机电式自动调平装置，其特征是：所述螺纹轴套机构包括螺纹轴和螺纹套，所述螺纹套的一端与所述球铰支座的下端面连接，另一端利用其上的螺纹同所述螺纹轴的一端连接在一起，且所述螺纹套能够绕着所述螺纹轴旋转，所述螺纹轴的另一端与所述步进电机的输出轴连接在一起，且所述螺纹轴与所述步进电机的所述输出轴同步转动。

4.根据权利要求3所述的用于分析式铁谱仪的四点支撑机电式自动调平装置，其特征是：所述控制装置内设置有处理器模块和电源模块，所述处理器模块包括单片机MCU，所述单片机通过四个单独的驱动器分别与四个所述步进电机单独连接；所述电源模块包括锂电池包和电量计，由充电器将220V交流电转换成12V的直流电对所述锂电池包进行充电，然后利用12V的直流电给所述控制装置、MEMS双轴倾角传感器和所述步进电机进行供电。

5.根据权利要求4所述的用于分析式铁谱仪的四点支撑机电式自动调平装置，其特征是：所述步进电机为丝杠步进电机，所述单片机上还连接有丝杠限位传感器、显示屏和交互式小键盘；所述锂电池包上还连接有用于计量所述锂电池。

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