專利名稱：動態(tài)測量精度損失實驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及實驗系統(tǒng)，更具體地說是一種動態(tài)測量精度損失實驗系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
動態(tài)測量系統(tǒng)，尤其是帶有機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)測量系統(tǒng)在實際使用過程中，即使不考慮環(huán)境因素的影響，隨著時間的推移，系統(tǒng)的精度也會有所損失，致使其測量精度不可避免逐漸下降?，F(xiàn)代高科技的發(fā)展對測量尤其是動態(tài)測量提出了更高的要求，如何提高動態(tài)測量的精度一直以來是工程測量與儀器設(shè)計人員關(guān)注的問題。因此掌握動態(tài)測量系統(tǒng)的精度損失規(guī)律，則可以采取有效的措施來提高測量結(jié)果的精度及其測量的可靠性。
一個實際的測量系統(tǒng)在其整個使用壽命周期內(nèi)，由于受到外界條件的影響和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不斷變化，其動態(tài)測量精度隨時間不斷損失，是一個相對漫長的過程。如何在短期內(nèi)實現(xiàn)對測量系統(tǒng)精度損失規(guī)律的研究，需要設(shè)計一套可以加速精度損失的實驗裝置，該實驗裝置要具有動態(tài)性，要符合實際工況要求，參考的標(biāo)準(zhǔn)量不會隨時間推移而損失。但迄今為止，還沒有符合這一要求的實驗系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種動態(tài)測量精損失實驗系統(tǒng)，用于實現(xiàn)對動態(tài)測量系統(tǒng)在長期使用過程中的精度損失規(guī)律的研究。
本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點是在由單片機控制的步進(jìn)電機的輸出軸上，設(shè)置偏心輪、沿偏心輪的徑向設(shè)置的測桿，測桿以其一端依靠彈性預(yù)緊力抵靠在偏心輪的外圓周面上，被測表中用于測定測桿位移量的位移測頭設(shè)置在測桿的另一端，在測桿上設(shè)置動光柵，對應(yīng)設(shè)置的是處在與測桿平行的位置上的定光柵，由定光柵和動光柵構(gòu)成測定測桿的位移量的光柵測量系統(tǒng)。
由單片機控制步進(jìn)電機帶動偏心輪旋轉(zhuǎn)，偏心輪推動測桿往復(fù)移動，同時帶動處在測桿另一端的位移測頭產(chǎn)生位移，并在其被測表中顯示位移量；與此同時，隨著測桿的往復(fù)移動，由光柵測量系統(tǒng)對測桿的實際位移進(jìn)行同步測量。
該實驗系統(tǒng)在長期工作后偏心輪和測桿都會有磨損，步進(jìn)電機也存在一定的步進(jìn)誤差，光柵測量系統(tǒng)顯示的讀數(shù)變化可以很好地反映偏心輪和測桿因為磨損以及步進(jìn)電機的步進(jìn)誤差而產(chǎn)生的精度損失。由于動光柵是安裝在測桿上，并隨著測桿產(chǎn)生移動，顯然光柵測量系統(tǒng)的實際輸出即為被測表的實際輸入。因此，在長期的實驗過程中，光柵測量系統(tǒng)和被測表兩者之間的讀數(shù)差異可以獲得被測表在長期使用后的精度損失。被測表的實際輸出量值變化反映了該實驗系統(tǒng)的總精度變化。顯然，與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在本發(fā)明在設(shè)計上很好考慮了系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)單元的誤差分離即精度損失分離。


圖1為本發(fā)明測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明系統(tǒng)框圖。
圖3為本發(fā)明系統(tǒng)控制主程序流程圖。
圖4為系統(tǒng)實驗100組精度損失分布圖。
圖5(a)為第一階段的精度損失擬合曲線圖。
圖5(b)為第二階段的精度損失擬合曲線圖。
圖6為三次多項式擬合曲線。
圖中標(biāo)號1步進(jìn)電機、2偏心輪、3緊固螺母、4軸座、5測桿、6大頭螺栓、7壓簧、8彈簧擋塊、9測頭、10定光柵、11動光柵。
以下通過具體實施方式
，并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
具體實施例方式
參見圖1、圖2，在由單片機控制的步進(jìn)電機1的輸出軸上，設(shè)置偏心輪2、沿偏心輪2的徑向設(shè)置的測桿5，測桿5以其一端依靠彈性預(yù)緊力抵靠在偏心輪2的外圓周面上，被測表中用于測定測桿5的位移量的位移測頭9設(shè)置在測桿5的另一端，在測桿5上設(shè)置動光柵11，對應(yīng)設(shè)置的是處在與測桿5平行的位置上的定光柵10，定光柵10固定設(shè)置在底座9上，由定光柵10和動光柵11構(gòu)成測定測桿5的位移量的光柵測量系統(tǒng)。
具體實施中，可以根據(jù)測試要求的不同選用不同偏心量的偏心輪。為了防止偏心輪2產(chǎn)生軸向竄動，偏心輪2一端是階梯軸的臺階，另一端是緊固螺母3固定，偏心輪2上設(shè)計花鍵，這樣可以有效防止偏心輪的軸向竄動。測桿5跟偏心輪2的外圓周面相接觸的一端設(shè)計成圓頭，兩者之間是點接觸。由于動光柵11固定在測桿5上，必須保證測桿5在移動過程中的直線度，除Y向的自由度外其它自由度都需要限制，這一目標(biāo)是通過裝在軸座4上的花鍵以及軸座4的配合來實現(xiàn)的，這樣的結(jié)構(gòu)很好地限制了測桿5除軸向運動以外的其它方向的自由度。測桿5的另一端開有螺紋孔，螺紋孔中擰入大頭螺栓6，大頭螺栓6的一端是螺紋，另外一端為螺柱，壓簧7直接套裝在螺柱上，下端設(shè)置彈簧擋塊8，以螺柱起導(dǎo)向和支撐的作用。壓簧7很好地保證了測桿5與偏心輪2在實驗過程中保持接觸。
本實施例中，光柵測量系統(tǒng)采用精度為1u，行程為50mm的長光柵。
采用89C51單片機來控制步進(jìn)電機，根據(jù)實際測量需要運行所需的行程，可以實現(xiàn)單步、連續(xù)運行兩種模式。
系統(tǒng)的軟件的設(shè)置本系統(tǒng)的主要功能是對被測對象及實驗系統(tǒng)的精度損失進(jìn)行研究，因此軟件包括以下幾個部分鍵盤掃描及LED顯示子程序、兩次測量階段之間表的工作次數(shù)及每次測量時的步進(jìn)脈沖數(shù)(即單次行程)子程序、電機啟停子程序等。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。
實驗驗證為了對本實驗系統(tǒng)進(jìn)行精度損失研究，采用上海量儀廠生產(chǎn)的0～10mm的百分表作為研究對象。設(shè)計的實驗方案是對系統(tǒng)和百分表在使用有效期內(nèi)的不同階段分別進(jìn)行測量。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定工作時，系統(tǒng)每運行一段時間，即工作一定的次數(shù)后測量一組實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)同一測量階段內(nèi)的若干次測量結(jié)果來確定每個階段的精度。假定完成一次全量程進(jìn)程和一次退程，稱為百分表工作了一個周期，在每工作了1000個周期以后，進(jìn)行一組比對測量，在全量程0-10mm范圍內(nèi)，每隔0.1mm測量一個數(shù)據(jù)點，在同一測量階段內(nèi)每組測量均重復(fù)五次，取其誤差平均值，同時將每組100個測量點的誤差再求平均可得該組的實際精度損失。本實驗共進(jìn)行了100組測量。所得100組測量的精度損失做出其曲線見圖4所示。從圖中可以看出，隨著測量次數(shù)的增多，系統(tǒng)的測量精度損失也相應(yīng)地增大。前面79組測量數(shù)據(jù)的精度損失呈現(xiàn)一定規(guī)律，其中前62組數(shù)據(jù)反映了測量系統(tǒng)處于穩(wěn)定的精度損失階段，63到79組數(shù)據(jù)反映了測量系統(tǒng)處于急劇的精度損失階段，80組以后的測量結(jié)果呈現(xiàn)無規(guī)律狀態(tài)，說明系統(tǒng)的精度已經(jīng)無法保證，系統(tǒng)已經(jīng)不能用于測量了。分別對前面兩個階段的數(shù)據(jù)在MATLAB中采用最小二乘擬合可得其擬合曲線，如圖5(a)和圖5(b)所示。
第一個階段精度損失的表達(dá)式如下y＝-4.0011×10-9x3+1.8442×10-6x2+2.09954×10-5x+0.0018563第二個階段精度損失的表達(dá)式如下y＝1.161×10-7x3-5.03922×10-6x2-6.7376×10-5x+0.0096425根據(jù)百分表和光柵測量系統(tǒng)測量結(jié)果的比對可以獲得百分表的精度損失值，其精度損失值及其三次多項式擬合曲線見圖6所示(這里考慮的是前79組有效數(shù)據(jù))。反映百分表精度損失規(guī)律的三次多項式如下y＝1.4012×10-9x3+1.7251×10-6x2-2.7236×10-5x+0.0011906由圖6可知百分表在最初25組測量過程中的精度損失不大，比較圖6和圖4可知系統(tǒng)最初階段的精度損失主要來源于偏心輪的磨損。第78、79組數(shù)據(jù)的精度損失已經(jīng)達(dá)到了0.010mm，說明百分表已經(jīng)達(dá)到了使用壽命，無法保證測量的精度了。
該實驗結(jié)果表明，利用本發(fā)明系統(tǒng)是可以實現(xiàn)對動態(tài)測量系統(tǒng)以及被測對象(實驗中采用的是百分表)的精度損失進(jìn)行研究的。根據(jù)長期的實驗結(jié)果可以為系統(tǒng)的誤差修正提供實驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，可以實時有效的提高動態(tài)測量系統(tǒng)的測量精度。同時能夠?qū)討B(tài)測量系統(tǒng)在長期使用過程中的精度損失情況加以監(jiān)控。設(shè)計研究該系統(tǒng)的目的就是為了驗證研究動態(tài)測量系統(tǒng)的精度損失的可行性。從實驗結(jié)果來看，從研究動態(tài)測量系統(tǒng)的精度損失角度來提高動態(tài)測量系統(tǒng)的精度是一種可以考慮的方案。利用譜分析以及小波分析的方法可以把總的精度損失分解到系統(tǒng)的各結(jié)構(gòu)單元，可以進(jìn)一步研究被測對象(百分表)內(nèi)部各結(jié)構(gòu)的精度損失規(guī)律為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。
權(quán)利要求
1.動態(tài)測量精度損失實驗系統(tǒng)，其特征是，在由單片機控制的步進(jìn)電機(1)的輸出軸上，設(shè)置偏心輪(2)、沿偏心輪(2)的徑向設(shè)置的測桿(5)，測桿(5)以其一端依靠彈性預(yù)緊力抵靠在偏心輪(2)的外圓周面上，被測表中用于測定測桿(5)的位移量的位移測頭(9)設(shè)置在測桿(5)的另一端，在測桿(5)上設(shè)置動光柵(11)，對應(yīng)設(shè)置的是處在與測桿(5)平行的位置上的定光柵(10)，由定光柵(10)和動光柵(11)構(gòu)成測定測桿(5)的位移量的光柵測量系統(tǒng)。
全文摘要
動態(tài)測量精度損失實驗系統(tǒng)，其特征是在由單片機控制的步進(jìn)電機輸出軸上，設(shè)置偏心輪、沿偏心輪的徑向設(shè)置的測桿，測桿以其一端依靠彈性預(yù)緊力抵靠在偏心輪的外圓周面上，被測表中用于測定測桿位移量的位移測頭設(shè)置在測桿的另一端，在測桿上設(shè)置動光柵，對應(yīng)設(shè)置的是處在與測桿平行的位置上的定光柵，由定光柵和對應(yīng)設(shè)置的動光柵構(gòu)成測定測桿位移量的光柵測量系統(tǒng)。本發(fā)明用于實現(xiàn)對動態(tài)測量系統(tǒng)在長期使用過程中的精度損失規(guī)律的研究，其在設(shè)計上很好地考慮了系統(tǒng)各單元的誤差分離即精度損失分離。
文檔編號G01D21/00GK101050970SQ200710021468
公開日2007年10月10日 申請日期2007年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月13日
發(fā)明者費業(yè)泰, 蔣敏蘭, 劉芳芳, 王春花 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)