基于光电位移传感器的驱动机构零位调节装置及方法

1.本发明涉及机械调零领域，更具体的说，尤其涉及一种基于光电位移传感器的驱动机构零位调节装置及方法。


背景技术：

2.驱动机构具有机械零位和电气零位两种零位标识。在驱动机构的生产过程中，需对驱动机构机械零位与电气零位之间的偏差进行调试，使机械零位与电气零位之间的偏差符合指标要求。
3.电气零位检测主要对安装于驱动机构内零位传感器的安装位置及性能参数进行检测，利用电器测量元件测量出来的零位位置信号。实际上，这个电气零位是人为定义的相对于机械零位的一个位置。机械零位，就是设备上用刻度之类的器具标记的机器参考零点，其它设备安装，运行都以这个点为基准位置，主要使用的机械零点，一般是标记机器停机状态的初始位置。
4.驱动机构调零方法为：把机械零位对应的测量元件测量数字
‘0’
来固定测量元件，使机械零位和电气零位在同一点位置上，即二者重合。但实际上机械零位和电气编码器测量值零位难以重合，机械零位对应测量元件测量出来的数据是一段范围，存在偏差。一般通过两种方法缩短偏差，一个是提高驱动机构内零位传感器的性能和安装位置精度；另一个是在驱动机构内零位传感器的安装位置及性能均已确定的情况下，测量出实际偏差并将驱动机构进行高精度的机械调零。驱动机构调零的现行做法一般是人力手动测量和调整，其主要缺陷是：第一、手动测量的稳定性不高，影响测量准确度；第二、由于机械零位和电气零位的差值较小，手动调整十分费力；第三、手动测量和调整都难以做到驱动机构的高精度调零；第四、测量和调整的工作效率都十分低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决上述现有技术的问题，提出了一种基于光电位移传感器的驱动机构零位调节装置及方法，能够在驱动机构的生产过程中，通过本发明对驱动机构的机械零位进行调试，使机械零位符合指标要求。
6.本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于光电位移传感器的驱动机构零位调节装置，包括设备安装平台、旋转控制机构、测量机构、驱动机构，所述测量机构安装于所述设备安装平台的上方，所述测量机构用于测量所述驱动机构机械零位的实际偏差，所述旋转控制机构安装于所述设备安装平台的上面，所述驱动机构的输入端与所述旋转控制机构的输出端相连接，所述旋转控制机构用于控制所述驱动机构旋转并反馈旋转角度。
7.所述设备安装平台包括支撑支架、可调支撑台、工作平台、安装立架和定位块。
8.所述支撑支架平稳立于大地平面上，所述可调支撑台共有三个，并分别成三角固定于所述支撑支架上面的三个不同位置，所述工作平台放置于所述三个可调支撑台上，所述工作平台上面开设有方槽，所述定位块放置于所述工作平台的方槽中，所述安装立架共
有两个，并分别对称固定在所述工作平台上面的横向中心轴线的两侧；在所述工作平台调平过程中，所述可调支撑台作为主调整支撑点支撑所述工作平台和确定所述工作平台的实际水平度。
9.所述旋转控制机构包括第一伺服电机、第一减速器、主轴、制动器、制动器支架、第一角度编码器、胀套、编码器转接块、万向节、扭簧、底板和第一减速器支架。
10.所述第一伺服电机输出端与所述第一减速器的输入端相连接，所述第一减速器固定安装在所述第一减速器支架的侧面上，所述第一减速器支架的底面安装在所述底板的上面，所述第一减速器的输出端与所述主轴的一端连接，所述主轴的另一端与所述万向节转接块采用所述胀套通过胀紧连接，所述制动器安装于所述主轴上，所述制动器固定在所述制动器支架的一侧面上，所述制动器支架的底面固定在所述底板的上面，所述第一角度编码器安装于所述编码器转接块的一端，所述第一角度编码器固定于所述制动器支架的另一侧面上，所述万向节的一端与所述编码器转接块的另一端相连接，所述扭簧安装在所述万向节上，所述扭簧一端连接所述万向节输入端，另一端连接所述万向节输出端，所述底板安装在所述工作平台上；在调零过程中，所述第一伺服电机提供旋转运动的驱动力，经过所述第一减速器放大力矩和减小转速，驱动所述主轴转动并带动所述万向节转动，所述第一角度编码器提供万向节实际转动的角度。
11.所述测量机构包括支撑横梁、第二伺服电机、第二减速器、第二减速器支架、联轴器、旋转轴、直线轴承座、第二角度编码器支架、第二角度编码器、光轴、光轴座、光轴转接块、光轴配重、光电位移传感器和光电位移传感器安装板。所述第二伺服电机输出端与所述第二减速器的输入端相连接，所述第二减速器固定在所述第二减速器支架的一侧面，所述第二减速器支架的另一侧面固定在所述支撑横梁的侧面，所述第二减速器的输出端与所述联轴器的一端连接，所述联轴器的另一端连接所述旋转轴的一端，所述旋转轴的另一端穿过所述直线轴承座和所述第二角度编码器固定连接所述光轴转接块，所述直线轴承座底面固定在所述支撑横梁的上面，所述第二角度编码器固定在所述第二角度编码器支架的侧面上，所述第二角度编码器支架的底面固定在所述支撑横梁的上面，所述光轴配重放置在所述光轴转接块的一侧，所述光轴固定连接在所述光轴转接块另一侧，所述光轴安装在所述两个光轴座上，所述两个光轴座通孔竖直向下固定在所述光电位移传感器安装板的一侧面，所述光电位移传感器固定在所述光电位移传感器安装板的另一侧面。
12.所述驱动机构包括驱动机构动子和驱动机构定子。所述驱动机构动子上设置两个动子定位销，所述驱动机构定子安装在所述工作平台上；在调零过程中，所述万向节带动所述驱动机构动子进行旋转时，所述动子定位销跟随所述驱动机构动子进行运动。
13.进一步的，所述万向节上安装了扭簧，扭簧一端连接所述万向节输入端，另一端连接所述万向节输出端，消除所述万向节输入端和输出端的传动回隙。
14.进一步的，所述驱动机构动子一端对称于驱动机构旋转中心设置两个圆柱状的动子定位销。
15.进一步的，所述光轴横截面形状为半圆形和矩形的组合形，用于限制光轴的纵向旋转自由度。
16.一种基于光电位移传感器的驱动机构零位调节的方法，具体包括如下步骤：
17.步骤一：调节三个可调支撑台中的可调螺栓使工作平台处于水平；
18.步骤二：拧松光轴转接块上用于固定光轴的螺丝，使光轴能够进行纵向移动；调节光轴高度直至光电位移传感器高于驱动机构顶部；再拧紧光轴转接块上用于固定光轴的螺丝，使光轴不可纵向移动；
19.步骤三：将驱动机构依靠于工作平台上的定位块，放置于工作平台上，以便于安装；将驱动机构动子与旋转控制机构的万向节输出端固定连接；将驱动机构定子用螺丝固定于工作平台上；
20.步骤四：拧松光轴转接块上用于固定光轴的螺丝，使光轴能够进行纵向移动；调节光轴高度直至光电位移传感器能够测量到驱动机构动子上的两个动子定位销；再拧紧光轴转接块上用于固定光轴的螺丝，使光轴不可纵向移动；
21.步骤五：驱动第二伺服电机，第二伺服电机的输出端经过第二减速器放大输出力矩并减小输出转速，带动旋转轴旋转，从而带动旋转轴上的第二角度编码器和光轴转接块进行旋转；光电位移传感器随着旋转轴进行旋转，同时第二角度编码器实时反馈旋转轴实际转动的角度；当光电位移传感器检测到驱动机构动子上的一个动子定位销时，立即停止第二伺服电机并记录光电位移传感器与该动子定位销的距离和第二角度编码器反馈的转动角度；
22.步骤六：驱动旋转控制机构的第一伺服电机，使旋转控制机构的万向节带动驱动机构动子转动，直至光电位移传感器的光点打在工作平台上；同时，旋转控制机构的第一角度编码器记录转动角度θa，光电位移传感器记录光电位移传感器到工作平台的距离；
23.步骤七：驱动旋转控制机构的第一伺服电机，使旋转控制机构的万向节带动驱动机构动子转动反向转动角度θa，使驱动机构回复到调零前的初始状态；
24.步骤八：反向驱动第二伺服电机，当光电位移传感器检测到驱动机构动子上的另一个动子定位销时，立即停止第二伺服电机并记录光电位移传感器与该动子定位销的距离和第二角度编码器反馈的转动角度；
25.步骤九：驱动旋转控制机构的第一伺服电机，使旋转控制机构的万向节带动驱动机构动子转动，直至光电位移传感器的光点打在工作平台上；同时，旋转控制机构的第一角度编码器记录转动角度θb，光电位移传感器记录光电位移传感器到工作平台的距离；
26.步骤十：驱动第二伺服电机，使光电位移传感器探测光点运动到驱动机构的中心位置；
27.步骤十一：计算得出驱动机构调零时驱动机构动子所需要转动的角度θ，驱动旋转控制机构的第一伺服电机，第一伺服电机的输出端经过第一减速器放大输出力矩并减小输出转速，带动主轴旋转，从而带动主轴上的第一角度编码器和万向节进行旋转；万向节带动驱动机构动子进行旋转，同时第一角度编码器实时反馈万向节实际的转动角度；当第一角度编码器反馈的转动角度为θ，立即停止旋转控制机构的第一伺服电机；
28.步骤十二：检验驱动机构的机械零位是否达到要求，重复步骤五至步骤十一，直至驱动机构的机械零位达到要求；
29.步骤十三：卸下已完成机械调零的驱动机构，将待机械调零的驱动机构重复步骤三至步骤十二，直至所有驱动机构完成机械调零；
30.步骤十四：所有物件归位或归零。
31.进一步的，在测量过程前，驱动机构的目标机械零位位置为两个动子定位销处于
同一水平线，光电位移传感器的探测光点方向在驱动机构的中心位置附近，令位于左侧的动子定位销为a，位于右侧的动子定位销为b；在旋转测量过程中，光电位移传感器测量并记录了驱动机构动子上两个动子定位销与光电位移传感器的距离，以及光电位移传感器检测到驱动机构动子上两个动子定位销时光电位移传感器与工作平台之间的距离；第二角度编码器记录了光电位移传感器从驱动机构中心位置到动子定位销a的转动角度为θoa，从动子定位销a到动子定位销b的转动角度为θab，光电位移传感器回复到初始工作位置需要转动的角度θ
bo
＝θ
ab
‑
θ
oa
。设两个动子定位销与光电位移传感器的距离分别为da、db，光电位移传感器检测到两个动子定位销时光电位移传感器与工作平台的距离分别为da、db；可以得出两个动子定位销转到水平位置需要的角度
32.当角度为正时，顺时针转动驱动机构动子；当角度为负时，逆时针转动驱动机构动子。
33.本发明的有益效果在于：
34.1)本发明在工作平台与支撑支架之间加入了三个可调支撑台，调节可调支撑台的可调螺栓来调整工作平台的水平度，使工作平台处于水平；
35.2)本发明在光轴与光轴转接块的连接处采用抱紧连接，通过螺钉锁紧的方式实现松紧，使得测量机构的测量高度可自由调节；
36.3)本发明采用测量机构的第二伺服电机控制光电位移传感器做旋转运动，提高了旋转测量过程的自动化水平；
37.4)本发明采用旋转控制机构的第一伺服电机控制驱动机构的旋转运动，提高了调零过程的自动化水平；
38.5)本发明在主轴上加入第一角度编码器反馈主轴实际转动的角度，实现了闭环控制；并在万向节上增加扭簧来消除万向节的回转间隙；此外，在旋转控制机构的第一伺服电机停止驱动时，通过制动器及时停止主轴的转动。实现了旋转控制机构对旋转角度高精度的控制；
39.6)本发明在旋转轴上加入第二角度编码器反馈旋转轴实际转动的角度，实现了测量机构对旋转轴旋转角度高精度的控制；
40.7)本发明在光轴转接块上一侧增加了配重，提高了旋转轴旋转的稳定性；
41.8)本发明采用了旋转测量的方法，在测量形式上，相对于竖直测量动子定位销，倾斜测量减少了光电位移传感器本身带来的测量误差，提高了测量机构的测量精度；在测量过程中，记录了光电位移传感器检测到两个动子定位销时光电位移传感器与工作平台的距离，并以此作为计算两个动子定位销转到水平位置需要的角度的参照数据，提高了测量机构的实际测量准确性。
附图说明
42.图1是本发明基于光电位移传感器的驱动机构零位调节装置的整体结构示意图。
43.图2是本发明设备安装平台的结构示意图。
44.图3是本发明旋转控制机构的结构示意图。
45.图4是本发明测量机构的结构示意图。
46.图5是本发明驱动机构的结构示意图。
47.图中：1
‑
设备安装平台、11
‑
支撑支架、12
‑
可调支撑台、13
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工作平台、14
‑
安装立架、15
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定位块、2
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旋转控制机构、21
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第一伺服电机、22
‑
第一减速器、23
‑
主轴、24
‑
制动器、25
‑
制动器支架、26
‑
第一角度编码器、27
‑
胀套、28
‑
编码器转接块、29
‑
万向节、210
‑
扭簧、211
‑
底板、212
‑
第一减速器支架、3
‑
测量机构、31
‑
第二伺服电机、32
‑
第二减速器、33
‑
第二减速器支架、34
‑
联轴器、35
‑
旋转轴、36
‑
第二角度编码器、37
‑
光轴、38
‑
光轴配重、39
‑
光轴座、310
‑
光电位移传感器安装板、311
‑
光电位移传感器、312
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光轴转接块、313
‑
第二角度编码器支架、314
‑
支撑横梁、315
‑
直线轴承座、4
‑
驱动机构、41
‑
驱动机构动子、410
‑
动子定位销、42
‑
驱动机构定子。
具体实施方式
48.下面结合附图对本发明作进一步说明：
49.如图1～5所示，一种用于驱动机构高精度测量以及调零的装置，包括设备安装平台1、旋转控制机构2、测量机构3、驱动机构4，所述测量机构3安装于所述设备安装平台1的上方，所述测量机构3用于测量所述驱动机构4机械零位的实际偏差，所述旋转控制机构2安装于所述设备安装平台1的上面，所述驱动机构4的输入端与所述旋转控制机构2的输出端相连接，所述旋转控制机构2用于控制所述驱动机构4旋转并反馈旋转角度。
50.所述设备安装平台1包括支撑支架11、可调支撑台12、工作平台13、安装立架14和定位块15。
51.所述支撑支架11平稳立于大地平面上，所述可调支撑台12共有三个，并分别成三角固定于所述支撑支架11上面的三个不同位置，所述工作平台13放置于所述三个可调支撑台12上，所述工作平台13上面开设有方槽，所述定位块15放置于所述工作平台13的方槽中，所述安装立架14共有两个，并分别对称固定在所述工作平台13上面的横向中心轴线的两侧；在所述工作平台13调平过程中，所述可调支撑台12作为主调整支撑点支撑所述工作平台13和确定所述工作平台13的实际水平度。
52.所述旋转控制机构2包括第一伺服电机21、第一减速器22、主轴23、制动器24、制动器支架25、第一角度编码器26、胀套27、编码器转接块28、万向节29、扭簧210、底板211和第一减速器支架212。
53.所述第一伺服电机21输出端与所述第一减速器22的输入端相连接，所述第一减速器22固定安装在所述第一减速器支架212的侧面上，所述第一减速器支架212的底面安装在所述底板211的上面，所述第一减速器22的输出端与所述主轴23的一端连接，所述主轴23的另一端与所述万向节29转接块采用所述胀套27通过胀紧连接，所述制动器24安装于所述主轴23上，所述制动器24固定在所述制动器支架25的一侧面上，所述制动器支架25的底面固定在所述底板211的上面，所述第一角度编码器26安装于所述编码器转接块28的一端，所述第一角度编码器26固定于所述制动器支架25的另一侧面上，所述万向节29的一端与所述编码器转接块28的另一端相连接，所述扭簧210安装在所述万向节29上，所述扭簧210一端连接所述万向节29输入端，另一端连接所述万向节29输出端，所述底板211安装在所述工作平台13上；在调零过程中，所述第一伺服电机21提供旋转运动的驱动力，经过所述第一减速器22放大力矩和减小转速，驱动所述主轴23转动并带动所述万向节29转动，所述第一角度编
码器26提供万向节29实际转动的角度。
54.所述测量机构3包括支撑横梁314、第二伺服电机31、第二减速器32、第二减速器支架33、联轴器34、旋转轴35、直线轴承座315、第二角度编码器支架313、第二角度编码器36、光轴37、光轴座39、光轴转接块312、光轴配重38、光电位移传感器311和光电位移传感器安装板310。所述第二伺服电机31输出端与所述第二减速器32的输入端相连接，所述第二减速器32固定在所述第二减速器支架33的一侧面，所述第二减速器支架33的另一侧面固定在所述支撑横梁314的侧面，所述第二减速器32的输出端与所述联轴器34的一端连接，所述联轴器34的另一端连接所述旋转轴35的一端，所述旋转轴35的另一端穿过所述直线轴承座315和所述第二角度编码器36固定连接所述光轴转接块312，所述直线轴承座315底面固定在所述支撑横梁314的上面，所述第二角度编码器36固定在所述第二角度编码器支架313的侧面上，所述第二角度编码器支架313的底面固定在所述支撑横梁314的上面，所述光轴配重38放置在所述光轴转接块312的一侧，所述光轴37固定连接在所述光轴转接块312另一侧，所述光轴37安装在所述两个光轴座39上，所述两个光轴座39通孔竖直向下固定在所述光电位移传感器安装板310的一侧面，所述光电位移传感器311固定在所述光电位移传感器安装板310的另一侧面。
55.所述驱动机构4包括驱动机构动子41和驱动机构定子42。所述驱动机构动子41上设置两个动子定位销410，所述驱动机构定子42安装在所述工作平台13上；在调零过程中，所述万向节29带动所述驱动机构动子41进行旋转时，所述动子定位销410跟随所述驱动机构动子41进行运动。
56.进一步的，所述万向节29上安装了扭簧210，扭簧210一端连接所述万向节29输入端，另一端连接所述万向节29输出端，消除所述万向节29输入端和输出端的传动回隙。
57.进一步的，所述驱动机构动子41一端对称于驱动机构4旋转中心设置两个圆柱状的动子定位销410。
58.进一步的，所述光轴37横截面形状为半圆形和矩形的组合形，用于限制光轴37的纵向旋转自由度。
59.一种基于光电位移传感器的驱动机构零位调节的方法，具体包括如下步骤：
60.步骤一：调节三个可调支撑台12中的可调螺栓使工作平台13处于水平；
61.步骤二：拧松光轴转接块312上用于固定光轴37的螺丝，使光轴37能够进行纵向移动；调节光轴37高度直至光电位移传感器311高于驱动机构4顶部；再拧紧光轴转接块312上用于固定光轴37的螺丝，使光轴37不可纵向移动；
62.步骤三：将驱动机构4依靠于工作平台13上的定位块15，放置于工作平台13上，以便于安装；将驱动机构动子41与旋转控制机构2的万向节29输出端固定连接；将驱动机构定子42用螺丝固定于工作平台13上；
63.步骤四：拧松光轴转接块312上用于固定光轴37的螺丝，使光轴37能够进行纵向移动；调节光轴37高度直至光电位移传感器311能够测量到驱动机构动子41上的两个动子定位销410；再拧紧光轴转接块312上用于固定光轴37的螺丝，使光轴37不可纵向移动；
64.步骤五：驱动第二伺服电机31，第二伺服电机31的输出端经过第二减速器32放大输出力矩并减小输出转速，带动旋转轴35旋转，从而带动旋转轴35上的第二角度编码器36和光轴转接块312进行旋转；光电位移传感器311随着旋转轴35进行旋转，同时第二角度编
码器36实时反馈旋转轴35实际转动的角度；当光电位移传感器311检测到驱动机构动子41上的一个动子定位销410时，立即停止第二伺服电机31并记录光电位移传感器311与该动子定位销410的距离和第二角度编码器36反馈的转动角度；
65.步骤六：驱动旋转控制机构2的第一伺服电机21，使旋转控制机构2的万向节29带动驱动机构动子41转动，直至光电位移传感器311的光点打在工作平台13上；同时，旋转控制机构2的第一角度编码器26记录转动角度θa，光电位移传感器311记录光电位移传感器311到工作平台13的距离；
66.步骤七：驱动旋转控制机构2的第一伺服电机21，使旋转控制机构2的万向节29带动驱动机构动子41转动反向转动角度θa，使驱动机构4回复到调零前的初始状态；
67.步骤八：反向驱动第二伺服电机31，当光电位移传感器311检测到驱动机构动子41上的另一个动子定位销410时，立即停止第二伺服电机31并记录光电位移传感器311与该动子定位销410的距离和第二角度编码器36反馈的转动角度；
68.步骤九：驱动旋转控制机构2的第一伺服电机21，使旋转控制机构2的万向节29带动驱动机构动子41转动，直至光电位移传感器311的光点打在工作平台13上；同时，旋转控制机构2的第一角度编码器26记录转动角度θb，光电位移传感器311记录光电位移传感器311到工作平台13的距离；
69.步骤十：驱动第二伺服电机31，使光电位移传感器311探测光点运动到驱动机构4的中心位置；
70.步骤十一：计算得出驱动机构4调零时驱动机构动子41所需要转动的角度θ，驱动旋转控制机构2的第一伺服电机21，第一伺服电机21的输出端经过第一减速器22放大输出力矩并减小输出转速，带动主轴23旋转，从而带动主轴23上的第一角度编码器26和万向节29进行旋转；万向节29带动驱动机构动子41进行旋转，同时第一角度编码器26实时反馈万向节29实际的转动角度；当第一角度编码器26反馈的转动角度为θ，立即停止旋转控制机构2的第一伺服电机21；
71.步骤十二：检验驱动机构4的机械零位是否达到要求，重复步骤五至步骤十一，直至驱动机构4的机械零位达到要求；
72.步骤十三：卸下已完成机械调零的驱动机构4，将待机械调零的驱动机构4重复步骤三至步骤十二，直至所有驱动机构4完成机械调零；
73.步骤十四：所有物件归位或归零。
74.在测量过程前，驱动机构4的目标机械零位位置为两个动子定位销410处于同一水平线，光电位移传感器311的探测光点方向在驱动机构4的中心位置附近。为方便说明和计算，设位于左侧的动子定位销410为a，位于右侧的动子定位销410为b。在旋转测量过程中，光电位移传感器311测量并记录了驱动机构动子41上两个动子定位销410与光电位移传感器311的距离，以及光电位移传感器311检测到驱动机构动子41上两个动子定位销410时光电位移传感器311与工作平台13之间的距离。第二角度编码器36记录了光电位移传感器311从驱动机构4中心位置到动子定位销a的转动角度为θoa，从动子定位销a到动子定位销b的转动角度为θab，光电位移传感器311回复到初始工作位置需要转动的角度θ
bo
＝θ
ab
‑
θ
oa
。设两个动子定位销410与光电位移传感器311的距离分别为da、db，光电位移传感器311检测到两个动子定位销410时光电位移传感器311与工作平台13的距离分别为da、db。可以得出两
个动子定位销410转到水平位置需要的角度
75.当角度为正时，顺时针转动驱动机构动子41；当角度为负时，逆时针转动驱动机构动子41。
76.上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。