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Development of Clamping System for Automatic Calibration of Angle Encoder
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摘要: 利用中国计量科学研究院研制的全圆连续角度标准装置作为标准角度发生装置，研制一套二维导轨装夹系统固定编码器定子，并基于LabVIEW开发数据采集软件，实现了空心轴角度编码器的自动化校准。装夹系统解决了因启动力矩大而造成手动定位困难的问题，并可在全圆360°范围内完成自动校准，提高检测效率的同时减少不确定度来源，配置装夹系统后编码器重复性优于0.8″。Abstract: Using the full-circle continuous angle standard device developed by the National Institute of Metrology as the standard angle generator, a two-dimensional slideway clamping system was developed to fix the encoder stator, and the data acquisition software was developed based on LabVIEW to realize the automatic calibration of hollow shaft angle encoder. The clamping system solved the problem of manual positioning difficulty caused by high starting torque and provides continuous automatic calibration in the 360° full-circle range, which improves the testing efficiency and reduces the sources of uncertainty. The encoder repeatability is better than 0.8″ after the clamping system is configured.
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Keywords:
- metrology /
- clamping system /
- angle encoder /
- LabVIEW /
- automation
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0. 引言
光电轴角编码器是一种以周期刻线光栅或圆光栅码盘为测量基准，基于成像扫描原理或干涉扫描原理，配以相应电子电路与机械结构，实现全圆范围内连续高精度角位置测量的仪器。平面角度量值的精准复现是保证加工精度与测量精度的重要影响因素之一，高精度角度编码器因具有较高的测角精度及重复性，可在全圆范围内任意位置连续反馈标准角度值，同时具备体积小、易安装等优点，已逐步成为工业机器人、三轴仿真台及齿轮中心等其他电气化设备中的关键元器件。
在《CCL-Strategy Document 2018-2028》(长度咨询委员会2018-2028年战略文件)中提出，由于近几十年角度编码器在工业领域的重要作用[1]，对编码器校准方法的研究及国际比对工作显得越发重要。国内外学者对高精度角度编码器的校准方法及装置已有部分研究[2-6]，黄垚等[7]基于自校准方法，通过傅里叶变换将被校准编码器误差信号变换至频域，从而消除一阶偏心误差与二阶偏摆误差，但自校准方法的应用对校准系统的重复性及采样点数要求较高；孙佳媛等[8]提出一种以量块为反射面的校准方法，但需要手动进行光电自准直仪对光操作，不仅在校准过程中引入光电自准直仪的示值误差，同时手动对光的方式对于校准启动力矩较大的角秒级编码器是费时费力的。现行校准规范中提出的转台校准法虽解决了角度编码器的定位问题[9]，但用于固定被校编码器定子的刚性支架会与标准转台回转轴系形成过约束关系，造成轴系间在校准过程中存在较大应力，过大的应力会对标准转台轴系与被校编码器轴系造成损伤，降低其使用寿命，严重者会造成永久损坏。
综上所述，传统的手动测量方式无法适应全面、快速、准确校准的需求，为了充分利用圆光栅的全圆任意角信息，避免手动操作的低效率和引入的装调、气流干扰等误差，设计了一套二维装夹系统，该系统与全圆连续角度标准装置结合实现了空心轴角度编码器的自动校准。
1. 全圆连续角度标准装置
中国计量科学研究院研制的全圆连续角度标准装置（见图1）可在圆周360°范围内任意位置发生标准角度，弥补了多齿分度台基准装置只能发生少量离散标准角度及激光小角度基准装置测量范围小（−5°～+5°）的不足。全圆连续角度标准装置采用气浮轴系，并通过4个均匀分布的压电陶瓷电机进行驱动，使径向跳动与轴向跳动均在50 nm以内；内置海德汉干涉扫描原理光栅盘，角位置数据由4个读数头获取，通过EDA法（equal-division-average method）输出并采用傅里叶逆变换法进行补偿。全圆连续角度标准装置在0°～360°范围内测量不确定度可达U=0.05″(k=2)，为在全圆范围内任意位置校准角度编码器提供了重要基础。
标准角度发生装置的角定位误差是校准过程中的重要影响量，采用全组合法对全圆连续角度标准装置角定位误差进行校准，使用标准器如表1所示。
表 1 标准器信息Table 1. Information of the standard device标准器名称 技术指标 证书号 自准直仪
多面棱体1级
三等CDjd2020-03503
CDjd2021-11877通过打表法对多面棱体的芯轴进行调整，同轴度调整至8 μm以内，4次同轴度测量数据如图2所示，并通过姿态调节机构将多面棱体塔差调节至10″之内。
以30°为间隔，每一测量列间保持转台起始位置均为0°，旋转多面棱体起始位置的方式进行全组合法测量，经EDA法补偿后标准装置角定位误差优于0.1″，角定位误差曲线如图3所示。
2. 装夹系统设计与采集软件编程
应用三维仿真软件对装夹系统中各部分进行设计并加工，仿真模型及实物图如图4、图5所示。
装夹系统中Z轴导轨安装于大理石基座，可通过升降手轮使装夹系统工作基面垂直于标准装置回转轴线运动，Z轴传动方式采用梯形丝杠并具备自锁功能，定位后不会在轴向施加额外应力。二维平台由X轴与Y轴十字交叉滚珠导轨组成，滑动行程50 mm，可降低由于被校编码器与标准装置在回转过程中不同轴所产生的轴间应力，同时可通过调姿旋钮在+1°～−1°范围内对工作基面进行姿态调节，从而改善被校编码器与标准装置回转轴线间偏摆状态，对轴系起到保护作用。
数据采集软件基于LabVIEW开发平台编程设计，主要由标准装置驱动程序模块、标准装置EDA数据采集模块、被校准编码器数据采集模块及原始数据报告生成模块4部分组成，软件系统前面板及程序流程图如图6和图7所示。可通过自动测量面板设定测量范围、测量步距、转台转速、等待时间及稳定性判断阈值等参数，实现对标准装置角位置的精确控制与数据读取、编码器数据读取及原始数据报告生成功能。
3. 实验搭建及测试结果
采用TT80电感测微仪，通过打表法对固定编码器转子的芯轴进行同心调整使标准装置回转轴线与芯轴轴线的同轴度在10 μm以内，同轴度4次测量数据如图8所示。
采用六角螺钉将芯轴固定于标准装置台面，每个六角螺钉采用机械式力矩扳手分别施加1 N·m的力矩。将编码器空心轴置于芯轴上，并通过棘轮卡具将编码器转子与标准装置回转台面固定连接。降低工作基面至编码器上表面并通过内六角螺钉进行固定，将编码器定子固定于装夹系统工作基面，实验系统硬件搭建如图9所示。
实验系统搭建如图10所示，数据采集软件通过RS485串口读取被校准角度编码器角度值，串口参数为波特率115200 bps、1停止位、8位数据位、无奇偶校验位。通过LabVIEW调用动态连接库（dynamic link library）的方式对标准装置进行运动控制，通过EDA反馈值记录角位置。
测量范围设置为0°～360°，以10°为步距，对被校准编码器进行5次重复测量，校准结果如图11所示，实验结果表明二维装夹系统可使被校准角度编码器回零且具有较好的重复性。
对5次重复测量数据，如式(1)所示通过贝塞尔公式计算标准偏差，获得各校准点测角重复性如图12所示，由曲线图可知重复性优于0.8″。
s=√n∑i=1(Dev−¯Dev)2n−1 (1) 式中，
Dev、¯Dev、n 分别为分度误差、分度误差平均值、重复测量次数。4. 结论
为解决传统方法无法快速适应高启动扭矩空心轴角度编码器校准过程中存在手动定位困难、校准点数有限、校准效率低及多个测量不确定度来源的问题，本文研制了一套装夹系统。通过装夹系统定位被校准编码器定子并采用芯轴与棘轮配合的方式带动编码器转子，使角度量值由标准装置直接传递至被校准编码器，而不再经过自准直仪，有效缩短角度量值溯源链及减少不确定度来源。数据采集软件部分可根据校准需求，通过设定不同测量范围及不同步距的方式解决传统多面棱体法只能校准离散角位置的问题。未采用装夹系统时，一般在全圆范围内校准12个点且重复性为1.8″，此外手动对光至自准直仪有效测量范围内费时费力；配置装夹系统后，本次校准全圆范围内36个点，重复性优于0.8″，且平均每30秒完成一个角位置的校准，从校准点数、重复性及测量时间上都得到了优化。可对未来角度编码器校准方法及装置的研究，高启动扭矩角度编码器计量性能的确认及国际比对产生一定帮助。
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表 1 标准器信息
Table 1 Information of the standard device
标准器名称 技术指标 证书号 自准直仪
多面棱体1级
三等CDjd2020-03503
CDjd2021-11877
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期刊类型引用(1)
1. 李广义. 基于LabVIEW的机器视觉检测齿轮加工质量的系统开发. 中国计量. 2023(06): 98-101 . 
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