鄭 潔

(西安微電機(jī)研究所，西安 710077)

0 引 言

隨著自動(dòng)化技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)正在向多功能、集成化、智能化發(fā)展。要實(shí)現(xiàn)正確高效的檢測(cè)，只有通過(guò)性能好、精度高、質(zhì)量可靠的儀器設(shè)備測(cè)試到各種有關(guān)的信息才能完成。而新型可程控儀器設(shè)備的出現(xiàn)及計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性、智能化處理提供了先進(jìn)的手段。

目前，國(guó)內(nèi)外測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)展水平日益提高。其關(guān)鍵技術(shù)包含了機(jī)械結(jié)構(gòu)、高精度軸系、驅(qū)動(dòng)元件、高精度傳感器、伺服控制技術(shù)、機(jī)電一體化等多學(xué)科研究成果。通過(guò)多學(xué)科的迭代發(fā)展，為測(cè)試自動(dòng)化測(cè)量的改進(jìn)和創(chuàng)新提供了良好的助力環(huán)境,使得位置信號(hào)電機(jī)的自動(dòng)測(cè)試成為可能，在實(shí)際的檢測(cè)工作中,人工測(cè)量產(chǎn)品的測(cè)試系統(tǒng)已逐漸被自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)所替代[1]。

1 信號(hào)電機(jī)精度傳統(tǒng)測(cè)試方法

電氣誤差是多極旋變及自整角機(jī)最基本最核心的技術(shù)指標(biāo)，反應(yīng)的是信號(hào)類電機(jī)電氣輸出角度值與實(shí)際角度值之差，也稱為電機(jī)的精度。

圖1 信號(hào)電機(jī)精度人工測(cè)試系統(tǒng)框圖

由于電機(jī)可實(shí)時(shí)連續(xù)反饋角度變化，動(dòng)態(tài)與靜態(tài)的電氣誤差并無(wú)區(qū)別，目前大多為靜態(tài)下進(jìn)行測(cè)試。在手工測(cè)試中，被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，電氣角模擬相應(yīng)位置的轉(zhuǎn)換，都是人工手調(diào)。圖1構(gòu)建的測(cè)試系統(tǒng)就是人工測(cè)試系統(tǒng)。

單極電機(jī)如自整角機(jī)測(cè)試精度要求24點(diǎn)法和72點(diǎn)法，可用角位指示器進(jìn)行梯度法測(cè)量。對(duì)于多極旋變發(fā)送機(jī)，除粗機(jī)的24點(diǎn)電氣誤差檢測(cè)外，精機(jī)試驗(yàn)時(shí)，從基準(zhǔn)電氣零位開(kāi)始，轉(zhuǎn)子正向旋轉(zhuǎn)，依次讀取所有點(diǎn)的零位誤差，并分別記下轉(zhuǎn)子實(shí)際機(jī)械角度與其相應(yīng)的理論電氣位置所對(duì)應(yīng)的機(jī)械角度，超前為正偏差，滯后為負(fù)偏差，共4P個(gè)點(diǎn)，如32対?rùn)C(jī)的電機(jī)零位誤差需要測(cè)試128個(gè)點(diǎn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求在最大正負(fù)零位誤差所處的極對(duì)下，各測(cè)一對(duì)極，每對(duì)極測(cè)24點(diǎn)的電氣角度。可見(jiàn)，需要極對(duì)數(shù)越大測(cè)試的點(diǎn)越多，耗時(shí)越長(zhǎng)[2]。

2 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，由角位指示儀、相敏電壓表、轉(zhuǎn)臺(tái)裝置、上下位機(jī)及控制箱、USB接口線路、打印機(jī)等硬件和測(cè)試軟件組成。被試電機(jī)同軸安裝在分度頭轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)電機(jī)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)，同步勻速旋轉(zhuǎn)一周(0°～360°)，從而完成電機(jī)性能指標(biāo)測(cè)試。相敏電壓表在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中完成零位電壓的測(cè)試，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集角位指示器的角度數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電氣誤差精度的自動(dòng)測(cè)試。

圖2 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成

在本自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，數(shù)字式精密光柵分度頭及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成的單軸高精度電動(dòng)分度頭轉(zhuǎn)臺(tái)裝置是整個(gè)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)臺(tái)控制示意圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)臺(tái)控制示意圖

工作臺(tái)面和機(jī)械臺(tái)體主要完成被測(cè)電機(jī)的安裝，其連接輸出導(dǎo)航插頭包括臺(tái)體信號(hào)、手輪信號(hào)和測(cè)試信號(hào)；機(jī)械軸承組成的軸系實(shí)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為有刷直流力矩電機(jī)，作為伺服控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，是一種能夠長(zhǎng)期處于堵轉(zhuǎn)或低速狀態(tài)下工作且輸出大轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)[3]。其適配器具有數(shù)字式驅(qū)動(dòng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，PID控制算法，是以高性能驅(qū)動(dòng)為控制核心的控制系統(tǒng)。直接驅(qū)動(dòng)，減少了傳動(dòng)誤差，具有較高的可靠性和動(dòng)態(tài)性能。高精度增量式光電編碼器提供轉(zhuǎn)角信號(hào)作為位置和速度反饋，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)低速平穩(wěn)運(yùn)行。

數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)主要包括采樣和處理硬件系統(tǒng)。通過(guò)RS232通信，驅(qū)動(dòng)器與下位機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)驅(qū)動(dòng)和細(xì)分，并與上位機(jī)通信進(jìn)行控制分析。上位機(jī)的控制軟件用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、通訊控制、數(shù)據(jù)顯示、轉(zhuǎn)換和分析等。以完成數(shù)據(jù)收集、分析、處理、顯示和存儲(chǔ)，并最終輸出數(shù)據(jù)結(jié)果。

測(cè)角的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)原理如圖4所示，粗碼電路用于記錄碼盤(pán)放大整形得到的脈沖信號(hào)所指定的角度位置。精碼電路通過(guò)軟件處理將碼盤(pán)正弦信號(hào)輸出細(xì)分，記錄高分辨率的角度位置，通過(guò)粗、精耦合得到精確的角度位置[4-5]。

圖4 測(cè)角的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)原理圖

3 高精度電動(dòng)分度頭操作軟件功能及自動(dòng)測(cè)試的實(shí)現(xiàn)

高精度電動(dòng)分度頭操作軟件主要界面及功能見(jiàn)圖5，軟件功能包含五個(gè)區(qū)域。在自動(dòng)測(cè)試中，只需將被測(cè)電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)裝置檢測(cè)工裝上，給定激磁電壓和頻率，進(jìn)行功能操作，調(diào)整好電機(jī)基準(zhǔn)電氣零位的初始位置，進(jìn)入自動(dòng)測(cè)試，選擇數(shù)據(jù)庫(kù)電機(jī)測(cè)試程序的相應(yīng)型號(hào)，向計(jì)算機(jī)發(fā)出電氣誤差或零位誤差的測(cè)試指令，計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)角分度頭精準(zhǔn)程控，實(shí)現(xiàn)被測(cè)電機(jī)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，利用角位指示器的粗、精雙通道功能進(jìn)行雙通道數(shù)據(jù)采集，將每一點(diǎn)的電氣角度值通過(guò)接口傳輸、實(shí)時(shí)地采集到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到準(zhǔn)確的產(chǎn)品精度，并由打印機(jī)輸出測(cè)試結(jié)果。

圖5 軟件主要界面及功能

測(cè)試系統(tǒng)要求高精度電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)定位精度為±3″；經(jīng)校準(zhǔn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)的定位精度為最大正誤差：1.5″，最大負(fù)誤差：-1.4″，從圖6角位置精度測(cè)試誤差測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，滿足測(cè)試要求[6]。

圖6 角位置精度測(cè)試誤差測(cè)試結(jié)果

經(jīng)對(duì)同類產(chǎn)品的重復(fù)性測(cè)試驗(yàn)證，多次比對(duì)，系統(tǒng)測(cè)試覆蓋范圍廣，可測(cè)正反雙向的誤差值，其中根據(jù)產(chǎn)品種類，技術(shù)要求不斷建立新的測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)，已完成近百種類、多型號(hào)單極及多極電機(jī)的自動(dòng)測(cè)試。圖7(a)為某32對(duì)極電機(jī)零位誤差測(cè)試曲線圖，最大正誤差為5.4″，最大負(fù)誤差為-6.1″，圖7(b)為32對(duì)極電氣誤差測(cè)試曲線圖，最大正負(fù)零點(diǎn)位置的電氣誤差測(cè)試結(jié)果，最大正誤差為5.0″，最大負(fù)誤差為-6.7″，電機(jī)的精度為平均值5.9″，經(jīng)與手動(dòng)測(cè)試比對(duì)，結(jié)論一致。

圖7 測(cè)試曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

本自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的組建提高了工作效率，減小了人為誤差，實(shí)現(xiàn)了高效高精度測(cè)試。使得測(cè)試方案在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，滿足各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試要求。試驗(yàn)與設(shè)計(jì)仿真一致，均達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。

全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及使用工業(yè)上成熟、先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)，在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，能對(duì)信號(hào)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)分析和測(cè)試，集成機(jī)械臂，序列號(hào)識(shí)別，自動(dòng)完成對(duì)產(chǎn)品抓取和識(shí)別，智能分析測(cè)試數(shù)據(jù)及判斷分揀的人工智能測(cè)試，是今后組建測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試技術(shù)發(fā)展努力研究的方向和目標(biāo)。