精度损失实验系统的研究
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摘要
随着科技的发展和动态测量技术的普遍应用，测试系统和仪器设备对精度的要求越来越高，但是很多高精度的仪器设备在长期的使用过程中不能达到预期的效果，究其原因是精度出现了损失，进而影响了仪器的性能。精度损失已引起人们的高度重视，成为精度理论研究中迫切需要解决的课题。
本文以角位移传递为基础，设计了一套精度损失同步数据采集对比实验系统。系统以伺服电机作为整个系统的驱动装置，以电机内置17位高分辨率编码器信号作为测量基准信号，实时测量电机在不同转速下编码器的输出信号，并与同步采集的圆光栅输出信号进行比较，两者差值的变化反映系统精度的变化情况。根据对大量实验数据的分析处理，可以寻找精度变化的规律，为精度补偿提供可靠的依据。该系统还可以作为角位移传递动态测试系统，为分析角度传递过程中的误差构成及误差修正提供依据。
本文介绍了伺服系统在复杂环境下的运行调试过程，分析影响系统的各种干扰源，在设定惯量比和机械刚性的前提下，对系统进行增益调整，包括自动和手动调整，实现系统的优化设置。此外，作为系统重要组成部分的信号处理模块和计数模块设计的好坏直接影响到比对系统和数据采集的正确性，因此，文中作了详细介绍：采用差分电路对电机内置编码器输出的差分脉冲信号进行合成处理，有效的抑制了干扰信号的影响；介绍了圆光栅信号处理电路的设计原理和具体设计过程，包括差动放大器、二阶低通滤波器、电压比较器等模型的构建和参数的计算选择；根据脉冲信号频率和计数器位数，以HCTL-2020芯片为核心的计数模块实现同步数据计数；根据制版原理设计电路板，充分考虑各种影响电路的因素，实现PCB板的优化设计；最后以Labview作为软件控制界面，编写同步数据采集程序，图形化再现数据采集过程。
系统整体设计合理，实现了同步数据采集，为精度损失理论研究提供了条件。
Nowadays with the rapid development of science and technology and the universal application of dynamic measurement, accuracy is more and more important to measure system and equipment. But many high accuracy equipments can not achieve their functions some times later, the reason is accuracy loss. Accuracy loss has been a project need to be disposed imminently and aroses more recognition for people.
Based on angle displacement transfer, this paper introduces a system which can be used to acquire date synchronously (DAQ).The system uses servo motor as driver equipment, and uses 17 bit high accuracy coder in the motor as metrical benchmark, then measures the output signal of coder while the motor is working in diverse speed and contrasts with the output signal of the round raster Synchronously, the change of difference of the two kinds of signal expresses the change of system accuracy. We can find the rule of accuracy change through analyzing and disposing lots of date, then provide basis for accuracy compensation. This system can also be used to dynamic measurement of angle displacement transmission, and provide reliable approach for analyzing error structure and error correction in angle displacement transmission.
This paper introduces the debugging process while servo motor is working in interferential environment, analyses various disturbance, regulates system plus including manual regulation and automatic regulation after setting the inertia ratio and mechanical rigidity in order to achieve the best setting. Besides, as the important part of system, the quality of signal disposal module and count module will affect the correctness of date acquisition,so,the paper introduces this detailedly: takes difference circuitry to dispose difference signal generated from coder in motor, it restrains disturbance availably; depicts the principium and process of round raster signal disposal circuitry, it includes constructing modules and counting parameters of differential amplifier、lowpass、voltage comparator; according to the frequency of pulse and arithmometer capability, the count module based on the HCTL-2020 achieves date acquisition synchronously; designs circuit diagram in term of PCB principium, considers the factors affect circuitry adequately in order to optimize the PCB; finally, designs software on the basis of Virtual Instrument, compiles programme for synchronous date acquisition, reappears the process of date acquisition in graphics.
The whole system designed logically . It can be used to acquire date in-phase and provide conditions for research of accuracy loss theory.
本文以角位移传递为基础，设计了一套精度损失同步数据采集对比实验系统。系统以伺服电机作为整个系统的驱动装置，以电机内置17位高分辨率编码器信号作为测量基准信号，实时测量电机在不同转速下编码器的输出信号，并与同步采集的圆光栅输出信号进行比较，两者差值的变化反映系统精度的变化情况。根据对大量实验数据的分析处理，可以寻找精度变化的规律，为精度补偿提供可靠的依据。该系统还可以作为角位移传递动态测试系统，为分析角度传递过程中的误差构成及误差修正提供依据。
本文介绍了伺服系统在复杂环境下的运行调试过程，分析影响系统的各种干扰源，在设定惯量比和机械刚性的前提下，对系统进行增益调整，包括自动和手动调整，实现系统的优化设置。此外，作为系统重要组成部分的信号处理模块和计数模块设计的好坏直接影响到比对系统和数据采集的正确性，因此，文中作了详细介绍：采用差分电路对电机内置编码器输出的差分脉冲信号进行合成处理，有效的抑制了干扰信号的影响；介绍了圆光栅信号处理电路的设计原理和具体设计过程，包括差动放大器、二阶低通滤波器、电压比较器等模型的构建和参数的计算选择；根据脉冲信号频率和计数器位数，以HCTL-2020芯片为核心的计数模块实现同步数据计数；根据制版原理设计电路板，充分考虑各种影响电路的因素，实现PCB板的优化设计；最后以Labview作为软件控制界面，编写同步数据采集程序，图形化再现数据采集过程。
系统整体设计合理，实现了同步数据采集，为精度损失理论研究提供了条件。
Nowadays with the rapid development of science and technology and the universal application of dynamic measurement, accuracy is more and more important to measure system and equipment. But many high accuracy equipments can not achieve their functions some times later, the reason is accuracy loss. Accuracy loss has been a project need to be disposed imminently and aroses more recognition for people.
Based on angle displacement transfer, this paper introduces a system which can be used to acquire date synchronously (DAQ).The system uses servo motor as driver equipment, and uses 17 bit high accuracy coder in the motor as metrical benchmark, then measures the output signal of coder while the motor is working in diverse speed and contrasts with the output signal of the round raster Synchronously, the change of difference of the two kinds of signal expresses the change of system accuracy. We can find the rule of accuracy change through analyzing and disposing lots of date, then provide basis for accuracy compensation. This system can also be used to dynamic measurement of angle displacement transmission, and provide reliable approach for analyzing error structure and error correction in angle displacement transmission.
This paper introduces the debugging process while servo motor is working in interferential environment, analyses various disturbance, regulates system plus including manual regulation and automatic regulation after setting the inertia ratio and mechanical rigidity in order to achieve the best setting. Besides, as the important part of system, the quality of signal disposal module and count module will affect the correctness of date acquisition,so,the paper introduces this detailedly: takes difference circuitry to dispose difference signal generated from coder in motor, it restrains disturbance availably; depicts the principium and process of round raster signal disposal circuitry, it includes constructing modules and counting parameters of differential amplifier、lowpass、voltage comparator; according to the frequency of pulse and arithmometer capability, the count module based on the HCTL-2020 achieves date acquisition synchronously; designs circuit diagram in term of PCB principium, considers the factors affect circuitry adequately in order to optimize the PCB; finally, designs software on the basis of Virtual Instrument, compiles programme for synchronous date acquisition, reappears the process of date acquisition in graphics.
The whole system designed logically . It can be used to acquire date in-phase and provide conditions for research of accuracy loss theory.
引文
[1] 费业泰主编．误差理论与数据处理(第四版)．机械工业出版社，2000．
[2] 陈晓怀、费业泰、黄强先．全系统动态测量精度理论的基本问题．制造业自动化．Vol．21，No．6，1999，12．
[3] 费业泰、于连栋．论全系统动态测试精度理论研究．合肥工业大学学Vol．23，No．1，2000，2．
[4] 费业泰．精度理论若干问题研究进展与未来．中国机械工程．Vol．11，No．3，2000．3．
[5] 陈晓怀、谢少锋、费业泰、张勇斌．测量系统不确定度分析及其动态性研究．仪器仪表学报．Vol．23，No．3，2002．8．
[6] 亓四华等．机械加工精度动态损失模型的研究．组合机床与自动化加工技术．2002第4期．
[7] 许桢英、费业泰、陈晓怀．动态精度理论研究与发展[J]．仪器仪表学报．Vol．22，No．4，2001．
[8] 张璐璐．贝叶斯动态测量系统精度损失模型研究．合肥工业大学硕士学位论文．2006．
[9] 陈晓怀．动态测量精度理论及应用关键问题研究．合肥工业大学博士学位论文．2006．
[10] 费业泰、卢荣胜．动态测量误差修正原理与技术．中国计量出版社．2001，7．
[11] 远坂俊昭(日)著，彭军译．测量电子电路设计—滤波器篇．科学出版社．2006，6．
[12] 伍刚、张小平．有源低通二阶滤波器设计．兵工自动化．2005，VOL 24，NO．4．
[13] 王磊杰、张红梅．增量式光电旋转编码器及在角减速度测量中的应用．机电产品开发与创新．2005，9，VOL 18，NO．5．
[14] 张璐璐、陈晓怀、程真英．加工装置的精度动态损失贝叶斯建模预报．黑龙江科技学院学报．2006，3，VOL 16，NO．2．
[15] 张善钟．精密仪器精度理论，机械工业出版社，1993．
[16] 松井邦彦著，邓学译．OP放大器应用技巧．科学出版社，2006．
[17] 张国雄，金篆芷．测控电路．机械工业出版社．2000，9．
[18] 康华光，陈大钦．电子技术基础(第四版)．高等教育出版社．1999，6．
[19] 小牧省三编著，何希才译．模拟电子电路．科学出版社．2003．
[20] 候国屏，王坤，叶齐鑫．Labview7．1编程与虚拟仪器设计．清华大学出版社．2004，8．
[21] 栾桂冬，张金铎，金欢阳．传感器及其应用．西安电子科技大学出版社．2002．
[22] 松下A4系列伺服电机说明书．
[23] 黎桂英，何红征．铝及铝合金型材与制品．广东科技出版社．1995．
[24] 张伟、王力、赵晶．电路设计与制版—Prote1DXP入门与提高(第一版)．人民邮电出版社．2003，2．
[25] AC6651使用手册．2004，11．
[26] 孙宝元、杨宝清．传感器及其应用手册．机械工业出版社．2004，4．
[27] 何勇、王升泽．光电传感器及其应用(第一版)．化学工业出版社．2004，6．
[28] 汪思敏、姚鹏翼、胡烨．Prote2004电路原理图及PCB设计．机械工业出版社．2006，9．
[29] 李鹏．控制电机及应用．高等教育出版社．1998．
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[32] 袁希光．传感器技术手册．国防工业出版社．1986．
[33] 强锡福．传感器．机械工业出版社．2000．
[34] 阎石．数字电子技术基础．高等教育出版社．1998．
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[37] 冯小荣等．电视跟踪系统误差分析．光电技术应用．2006，6．VOL 21，NO．6．
[38] 李力争、何清华．用光电编码器测量转角的一种误差来源．传感器世界．2006，5．
[39] 李洪、冯长有、丁林辉．光电轴角编码器细分误差动态评估方法．传感技术学报．2005，12．VOL 18，NO．4．
[40] 袁小滨、李怀琼．光栅莫尔条纹数字细分技术及其误差分析．西安公路交通大学学报．2001，1．VOL 21，NO．1．
[41] 4th-and 8th-Order Continuous-Time Active Filters. MAXIM. 19-4191; Rev3; 10/96.
[42] 圆光栅编码器使用说明说．南京中科天文仪器有限公司．
[43] 格拉夫(美)．电子电路百科全书．科学出版社．1986．
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