微壓力彈簧性能自動(dòng)測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王亭嶺 周芬芳 熊軍華 陳建明 沈媛雪

(華北水利水電學(xué)院電力學(xué)院1，河南 鄭州 450011;中州大學(xué)信息管理中心2，河南 鄭州 450044)

0 引言

能源危機(jī)促進(jìn)了物質(zhì)勘探行業(yè)的快速發(fā)展。在石油勘探、地震測(cè)量中，大量使用地震檢波器來(lái)采集地層傳遞過(guò)來(lái)的電磁波。因此，地震檢波器的測(cè)量精度是決定物質(zhì)勘探成敗的關(guān)鍵所在。地震檢波器中對(duì)稱(chēng)彈簧的性能是影響測(cè)量精度的主要因素，而提高地震檢波器測(cè)量精度的有效方法是采用適宜的檢測(cè)手段。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)地震檢波器的很多企業(yè)都缺少必要的檢測(cè)手段，導(dǎo)致產(chǎn)品的誤差較大且重復(fù)性不好。

本文通過(guò)分析彈簧勁度系數(shù)的非線性，找出最佳匹配組，滿(mǎn)足兩片彈簧勁度系數(shù)之和為常數(shù)的要求。文中研制的微壓力彈簧性能自動(dòng)測(cè)試裝置能對(duì)多批次彈簧性能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)快速自動(dòng)測(cè)量，并能測(cè)量出彈簧在彈性范圍內(nèi)的任意位置所受到的彈力值，根據(jù)彈力與位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出任意位置的勁度系數(shù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

整個(gè)系統(tǒng)由自動(dòng)測(cè)試裝置和上位機(jī)監(jiān)控與分析程序兩部分組成。自動(dòng)測(cè)試裝置主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、檢測(cè)環(huán)節(jié)和主控單元。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system

步進(jìn)電機(jī)和直線導(dǎo)軌垂直安裝，壓力模塊水平安裝。支架與各部分通過(guò)螺栓固緊減少振動(dòng)，避免機(jī)械傳動(dòng)時(shí)引入偏移誤差[2]。

圖1中，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是直線導(dǎo)軌的滑塊如何推動(dòng)圓形轉(zhuǎn)盤(pán)自動(dòng)放置彈簧。測(cè)試裝置位移測(cè)量控制策略采用雙閉環(huán)控制:內(nèi)環(huán)為增量編碼器檢測(cè)角位移，用于消除步進(jìn)電機(jī)失步帶來(lái)的誤差;外環(huán)為磁柵尺檢測(cè)直線位移，用于消除導(dǎo)軌絲杠間隙及機(jī)械傳動(dòng)帶來(lái)的誤差。內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)快速位置標(biāo)定，外環(huán)對(duì)重復(fù)性誤差進(jìn)行校正。

系統(tǒng)檢測(cè)與控制電路原理圖如圖2所示。

圖2 檢測(cè)與控制電路原理框圖Fig.2 Schematic diagram of the detection and control circuit

圖2中，主控單元采用TI公司的16位低功耗微控制器MSP430，用于控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器[3]。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用美國(guó)海頓公司的細(xì)分型高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DCM4010，步進(jìn)電機(jī)為兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。在內(nèi)環(huán)檢測(cè)回路中，增量式編碼器套緊在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上，經(jīng)過(guò)四細(xì)分辨向電路將角位移所對(duì)應(yīng)的四倍脈沖數(shù)據(jù)送入主控單元[4]。外環(huán)檢測(cè)回路中的磁柵尺經(jīng)四細(xì)分辨向電路將四倍頻的脈沖送入主控單元，確定導(dǎo)軌移動(dòng)的直線位移。

系統(tǒng)采用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)四細(xì)分辨向計(jì)數(shù)電路功能，并將整個(gè)電路布線到FPGA芯片中;利用FPGA中，同步D觸發(fā)器的延時(shí)特性及一定的與邏輯，對(duì)A、B信號(hào)的邊沿進(jìn)行提取，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的四細(xì)分。四細(xì)分信號(hào)通過(guò)邏輯判斷得到計(jì)數(shù)器所需的加減計(jì)數(shù)信號(hào)，計(jì)數(shù)器對(duì)加減計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)，完成四細(xì)分辨向計(jì)數(shù)電路功能。壓力傳感器通過(guò)24位A/D轉(zhuǎn)換器CS5532，將采樣的壓力數(shù)據(jù)送入控制核心，通過(guò)數(shù)字濾波實(shí)現(xiàn)彈力檢測(cè)。主控單元通過(guò)MAX3232轉(zhuǎn)換芯片將TTL邏輯電平轉(zhuǎn)換為RS-232C邏輯電平，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的串行通信。位置傳感器選用光電開(kāi)關(guān)，用以限定導(dǎo)軌滑塊的移動(dòng)范圍，避免導(dǎo)軌滑塊堵死。

2 步進(jìn)位移誤差校準(zhǔn)

彈簧片加工誤差的存在要求對(duì)勁度系數(shù)做精準(zhǔn)測(cè)量。根據(jù)胡克定律，可繪制測(cè)量位移與壓力的對(duì)應(yīng)勁度系數(shù)特性曲線。彈簧長(zhǎng)度為(2±0.1)mm，受力小于10 gf(1 kgf=9.8 N)，檢測(cè)儀測(cè)量的位移誤差小于5 μm、壓力誤差小于2 mgf(1 kgf=9.8 N)。胡克定律描述的是材料在彈性變形范圍內(nèi)力與變形的關(guān)系:

式中:K為勁度系數(shù)，N/m;X為彈性形變，m。在對(duì)稱(chēng)彈簧的彈性變形范圍內(nèi)，求出任意兩點(diǎn)的位移與壓力值，即可計(jì)算出勁度系數(shù)。嚴(yán)格意義上講，由于制造彈簧的材質(zhì)是非均勻的，材料內(nèi)各點(diǎn)受力后將有不同的彈性效應(yīng)[5]。為了能更好地分析彈簧制造過(guò)程中引入誤差的影響，需要對(duì)不同批次的彈簧進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，并繪制出勁度系數(shù)特性曲線。

選用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°，導(dǎo)軌絲杠的螺距為2.54 mm，不接細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，電機(jī)步進(jìn)一步的直線距離為12.7 μm。

此時(shí)，步進(jìn)精度不滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，需要增加步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)沒(méi)有接細(xì)分驅(qū)動(dòng)器調(diào)試系統(tǒng)時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)及運(yùn)行期間振動(dòng)較明顯，編碼器的輸出脈沖受干擾較大;當(dāng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)接細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，將細(xì)分等級(jí)調(diào)到16細(xì)分，則可明顯改善電機(jī)振動(dòng)現(xiàn)象。16細(xì)分步進(jìn)一步對(duì)應(yīng)直線距離為0.794 μm，當(dāng)細(xì)分等級(jí)調(diào)到64細(xì)分時(shí)，理論上步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步對(duì)應(yīng)的直線距離為0.198 μm。但實(shí)際上由于步進(jìn)電機(jī)控制是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，在高細(xì)分等級(jí)情況下會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象，因此根據(jù)主控單元輸出脈沖多少來(lái)計(jì)算步進(jìn)的位移會(huì)使測(cè)試距離存在較大的誤差。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的主要作用是抑制電機(jī)低頻時(shí)的振動(dòng)，同時(shí)提高步進(jìn)精度[6]。當(dāng)細(xì)分等級(jí)為16細(xì)分以上時(shí)，精度提高不明顯，這是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是由細(xì)分驅(qū)動(dòng)器精確控制其相電流來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)分控制的[7]。

步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)通過(guò)增加編碼器來(lái)構(gòu)成反饋環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。編碼器的脈沖輸出能真實(shí)反映步進(jìn)的角位移。圖1中的角位移反饋信號(hào)選用400線的增量式編碼器進(jìn)行檢測(cè)。編碼器輸出脈沖經(jīng)四細(xì)分辨向電路送入主控單元處理，單個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的直線距離為:

此時(shí)，步進(jìn)精度由編碼器最小分辨率決定。編碼器測(cè)量的是角位移，由于導(dǎo)軌絲杠的間隙誤差對(duì)角位移轉(zhuǎn)換為直線位移影響較大，只有增加直線位移檢測(cè)環(huán)節(jié)，才能有效提高測(cè)量精度。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的位移測(cè)量精度小于5 μm，試驗(yàn)初期很難滿(mǎn)足這一要求。分析發(fā)現(xiàn):造成誤差的主要因素與磁柵尺本身精度及安裝方式有關(guān)。磁柵尺對(duì)每段位移測(cè)量的誤差值都不同，表現(xiàn)為測(cè)量誤差的非線性。因此，必須對(duì)誤差的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。文獻(xiàn)[8]提出了光柵尺分段線性誤差補(bǔ)償算法。大量重復(fù)性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)值及相應(yīng)區(qū)間的斜率ki受測(cè)量時(shí)的環(huán)境因素影響較大，不利于程序查表計(jì)算。

文獻(xiàn)[9]提出了光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的誤差自修正方法，試驗(yàn)采用光電開(kāi)關(guān)作為多個(gè)絕對(duì)零位信號(hào)的位置檢測(cè)。由于光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行位置檢測(cè)時(shí)自身存在誤差，因此此方法將引入多個(gè)零位測(cè)量誤差。系統(tǒng)選用應(yīng)差距離為25 μm的光電位置傳感器作為零位置標(biāo)定，采用臨界法標(biāo)定零位，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

①判斷滑塊是否遮住光電位置傳感器，如果遮住，則滑塊后退，直到主控單元檢測(cè)的光電位置傳感器輸出高電平，高電平即為無(wú)遮擋狀態(tài);

②無(wú)遮擋時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)前進(jìn)，當(dāng)檢測(cè)到低電平時(shí)立即停止，并將編碼器初值清零;

③驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)后退，并對(duì)編碼器反饋的脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到高電平時(shí)立即停止;

④若脈沖計(jì)數(shù)值小于設(shè)定值，將編碼器初值清零，并將此時(shí)的位置作為參考零點(diǎn);

⑤若脈沖計(jì)數(shù)值大于設(shè)定值，重復(fù)上述操作，直至滿(mǎn)足條件為止。

當(dāng)臨界法中的設(shè)定值為8時(shí)，循環(huán)4次左右即可標(biāo)定零位;當(dāng)設(shè)定值小于5時(shí)，系統(tǒng)振動(dòng)，無(wú)法標(biāo)定零點(diǎn)。若設(shè)定值為8，則有:

由此可知，零位信號(hào)的檢測(cè)將引入誤差。因此，引入多個(gè)絕對(duì)零位信號(hào)對(duì)提高精度不利。自動(dòng)測(cè)試裝置內(nèi)環(huán)選用增量編碼器檢測(cè)角位移，以實(shí)現(xiàn)快速定位;外環(huán)選擇磁柵尺測(cè)量直線位移，以補(bǔ)償角位移轉(zhuǎn)換過(guò)程中的誤差，并對(duì)重復(fù)性誤差進(jìn)行校正。

磁柵尺選用德國(guó)SIKO的MB500，分辨率為5 μm，經(jīng)四細(xì)分辨向電路處理后，分辨率提高了4倍。增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格上比絕對(duì)式編碼器占明顯的優(yōu)勢(shì)，自動(dòng)測(cè)試裝置角位移檢測(cè)選用400線的增量式編碼器。

3 壓力誤差分析與修正

壓力傳感器無(wú)壓力時(shí)，輸出電壓為2.0 mV;載荷為10 gf(1 kgf=9.8 N)時(shí)，輸出電壓為 2.69 mV。試驗(yàn)首先選用16位的A/D轉(zhuǎn)換器AD7705，參考電壓為2.5 V，測(cè)量方式選擇單極性測(cè)量方式，增益選為增大值的128倍[10]，則 AD7705的分辨率為:

在增益設(shè)置為128倍時(shí)，壓力傳感器差分輸入信號(hào)上的干擾同時(shí)被放大。保持載荷為10 gf(1 kgf=9.8 N)不變，在連續(xù)采樣10次的16位數(shù)據(jù)中，低3位為隨機(jī)變化值，受干擾嚴(yán)重，通過(guò)數(shù)字濾波也只能把干擾降低一倍。2位隨機(jī)值使精度降低了4倍，最后壓力誤差只能控制在18 mgf(1 kgf=9.8 N)以下，無(wú)法滿(mǎn)足精度要求。

自動(dòng)測(cè)試裝置對(duì)精密度要求很高，而對(duì)正確度要求不是很?chē)?yán)格，即對(duì)彈簧勁度系數(shù)的一致性要求很高。為了解決壓力傳感器無(wú)法消除零點(diǎn)漂移的問(wèn)題，選用高精度的A/D轉(zhuǎn)換器是行之有效的方法。

本系統(tǒng)以24位串行A/D轉(zhuǎn)換器CS5532為壓力采集處理電路的核心。參考電壓為2.5 V，測(cè)量方式選擇單極性測(cè)量方式，增益選為16倍，則CS5532的分辨率為:

考慮增益對(duì)干擾信號(hào)的放大影響，且CS5532采樣后的數(shù)字量仍然無(wú)法保證低3位穩(wěn)定不變，若將精密度控制在1 mgf(1 kgf=9.8 N)以下，必須采用數(shù)字濾波算法。本設(shè)計(jì)采用去極值平均濾波算法，大大提高了測(cè)試裝置的精度。去極值平均濾波算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:首先主控單元連續(xù)讀10次取CS5532的采樣值并將其累加求和;然后找出其中的最大值與最小值并從累加和中減去;最后按8個(gè)采樣值求平均，得到有效采樣值，供系統(tǒng)使用。

4 控制程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)測(cè)試裝置在滿(mǎn)足高精度測(cè)量的同時(shí)，還要兼顧彈簧性能測(cè)試的效率。因此，裝置的工作方式設(shè)置為自動(dòng)和手動(dòng)兩種形式。手動(dòng)方式可以進(jìn)行微調(diào)和校準(zhǔn)。自動(dòng)方式下共有模式0、模式1、模式2這3種。

系統(tǒng)上電時(shí)默認(rèn)為自動(dòng)工作狀態(tài)。自動(dòng)方式下的模式0每次檢測(cè)3個(gè)點(diǎn)，并算出2個(gè)勁度系數(shù)K值，用于快速檢測(cè);模式1每次檢測(cè)6個(gè)點(diǎn)，并算出5個(gè)勁度系數(shù)K值，用于分批次檢測(cè);模式2每次檢測(cè)11個(gè)點(diǎn)，并算出10個(gè)勁度系數(shù)K值，用于加工工藝分析。磁柵尺輸出脈沖與編碼器輸出脈沖經(jīng)四細(xì)分辨向電路送入MSP430中斷I/O口，通過(guò)觸發(fā)中斷完成脈沖計(jì)數(shù)。系統(tǒng)中還使用了其他類(lèi)型的中斷，如定時(shí)器中斷顯示信息等。

為了不影響脈沖計(jì)數(shù)，設(shè)置脈沖觸發(fā)中斷的優(yōu)先級(jí)為最高，避免其他中斷源嵌套。

自動(dòng)測(cè)試裝置主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flowchart of the main program

5 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，首先標(biāo)定零點(diǎn)確定對(duì)應(yīng)的壓力值，然后標(biāo)定步進(jìn)固定的距離(程序設(shè)定步進(jìn)100步)并讀取對(duì)應(yīng)的壓力值。計(jì)算壓力增量和位移增量，即可計(jì)算出勁度系數(shù)。對(duì)隨機(jī)選出的彈簧進(jìn)行6次重復(fù)測(cè)量所獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 重復(fù)測(cè)量壓力數(shù)據(jù)Tab.1 Pressure data of repeated measurements

根據(jù)表1所算出的壓力平均值為1.697 gf(1 kgf=9.8 N)，最大偏差為 1.702 － 1.688=0.014 gf，相對(duì)偏差為0.014/1.697=0.825%，精度為 0.014/5=0.28%。大量重復(fù)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，位移誤差小于3 μm，壓力誤差小于 1 mgf(1 kgf=9.8 N)，最終得出勁度系數(shù)精度等級(jí)為0.5級(jí)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試裝置主要用于對(duì)精密彈簧的性能進(jìn)行定量檢測(cè)，通過(guò)測(cè)量壓力與位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)彈簧彈力值及勁度系數(shù)的定性分析。彈簧的勁度系數(shù)在實(shí)際測(cè)量時(shí)存在非線性，只有經(jīng)多點(diǎn)測(cè)量才能準(zhǔn)確判斷。受彈簧長(zhǎng)度和壓力的制約，測(cè)量必須達(dá)到高精度要求。

自動(dòng)測(cè)試裝置將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)監(jiān)控程序，完成對(duì)彈簧勁度系數(shù)的非線性分析，為彈簧的后期分類(lèi)提供理論依據(jù)。經(jīng)用戶(hù)使用表明:該裝置檢測(cè)精度高、控制效果好，對(duì)地震檢波器性能的提升起到了很好的作用。

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