CN102620703B - 一种测角仪器标准器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测角仪器标准器，包括转动装置和控制系统，其特征是，所述转动装置为双轴机械转动装置，该装置包括相互交连且垂直的方位旋转轴系和俯仰旋转轴系，每个旋转轴系设有各自的电磁锁紧装置、角接触轴承、永磁直流力矩电机和测角元件，方位旋转轴系与用于放置被检仪器的工作台面连接；所述各旋转轴系的测角元件构成测角系统。本标准器采用了低速大扭矩驱动技术、自动控制技术、精密测量技术、触摸屏人工智能技术与PLC控制相结合技术，实现在任意角度内均可输出具高精度高负载力的标准角技术，对各种车轮定位仪等多种类型的测角仪器进行计量检定/校准。

Description

一种测角仪器标准器

技术领域

本发明涉及检定/校准测角仪器的标准器技术领域，尤其系一种具载荷力的广角标准角，它适合现场检定/校准车轮定位仪的测角仪器标准器。

背景技术

具载荷力的广角标准角能实现在任意角度内均可输出具负载力的高精度标准角，主要用于法定计量检测机构、生产企业及科研院所检定/校准多种类型的测角仪器，汽车生产企业使用测角仪器最多，有汽车四轮定位仪、前轮定位仪、机动车方向盘转向角检测仪、汽车转向角检验台等。目前，国内在该领域比较成型的检定/校准标准器主要是四轮定位仪检定装置，其他类型测角仪器标准器的报道还比较少。而现在的四轮定位仪检定装置，主要分为两大类：一种是可移动式的四轮定位仪检定装置；另一种是真实模拟四轮关系而研制的四轮定位仪检定装置。

第一种可移动式四轮定位仪检定装置是在一个可倾转的平板上，安装4个模拟轮毂。平板绕X、Y轴倾转，4个模拟轮毂绕Z轴转动，用螺旋驱动测量机构和涡轮驱动测量机构测量丝杆螺母的升程，再通过反正切计算间接得到角度值的。该种装置的特点是可带至现场检测四轮定位仪，缺点是测量精度受丝杆加工工艺和使用磨损影响。

第二种四轮定位仪检定装置是真实模拟四轮定位关系的检定装置，它真实地反映了车轮前束，车轮外倾角，主轴后倾角等各项参数，检测精度较高（检测精度为0.5＇，而第一种为１＇），可适用检定不同型号的四轮定位仪，但它同样存在缺点：对环境条件的要求高，而现场的环境条件一般不符合检定要求；另外装置比较重，结构复杂，不可能搬到检定现场使用；无法满足计量部门现场检定/校准四轮定位仪的需要。而且该装置无法满足数据显示在固定屏幕上，使用起来不方便。

总的来说，以上两方案均属于精密测量范畴的仪器，都没有对输出角度实施闭环控制，只依赖于对机械制造加工工艺的高要求、环境条件的高要求。那么使用日久之后，或环境发生轻微变化时，或搬动过后，装置的准确度都会受到不同程度的影响。无法满足计量部门现场检四轮定位仪的需要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的种种不足，而提供一种测角仪器标准器，它具有测量精度高、操作简单、体积小（长 宽高=400mm400mm500mm左右，且高度不包括台体调平用的地脚的高度）、质量轻（30 Kg）、运输方便、用途广泛（既能现场检定/校准车轮定位仪，又适合检定/校准其他领域的测角仪器；上述所指车轮定位仪是与汽车车轮定位或其他与车辆角度测量相关的一类计量器具的总称，包括例如四轮定位仪，前轮定位仪，方向盘转向角测试仪等一系列的计量器具）的优点。

本发明的目的是这样实现的。

一种测角仪器标准器，包括转动装置和控制系统，其特征是，所述转动装置为双轴机械转动装置，该装置包括相互交连且垂直的方位旋转轴系和俯仰旋转轴系，每个旋转轴系设有各自的电磁锁紧装置、角接触轴承、永磁直流力矩电机和测角元件，方位旋转轴系与用于放置被检仪器的工作台面连接；所述各旋转轴系的测角元件构成测角系统。检定/校准时，被测仪器仪表安装在工作台面上，各轴系转动带动其按指定角度值转动，读取被测仪器仪表转过的角度值，与工作台面标准角度值比较，得出被测仪器仪表示值误差。每轴设有各自的永磁直流力矩电机、电磁锁紧装置、精密角接触轴承和测角元件。安装在各轴框架上的永磁直流力矩电机是在低速情况下输出较大转矩的低速直流伺服电动机，不经齿轮减速与转轴直接耦合，能有效执行各种运动指令；电磁锁紧装置用于断电状态下锁紧输出轴，以利于被测仪器仪表的安装测试；轴系的定位精度是影响精度指标的重要因素，由于台体重量及负载均由轴承来承受，因此各轴选用两个角接触向心推力球轴承。测角元件安装在各转轴上，用于将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲数字量，提供系统反馈信号和状态信息。

本发明的目的还可以采用以下技术措施解决：

作为更具体的实施方案，所述方位旋转轴系包括方位轴（主轴）、方位轴转台和主轴框架；俯仰旋转轴系包括俯仰轴框架和同轴设置的左右两俯仰轴（耳轴）；俯仰轴框架呈U型，其开口向上，底部与底座固定连接，俯仰轴框架上左右两端对应俯仰轴设置有轴座；主轴框架呈T型结构，其设置在俯仰轴框架内侧，主轴框架左右两侧与俯仰轴固定连接，方位轴和方位轴转台同轴设置在主轴框架中心；方位轴转台为所述工作台面，并位于主轴框架上方。两轴系采用U-T结构安装，方位轴安装在T形框架（主轴框架）上，可以产生标准前束角；俯仰轴装在U 形框架（俯仰轴框架）上，提供准确的外倾角；方位轴转动90˚后，绕俯仰轴旋转可以产生后倾角。

所述方位轴上端伸出主轴框架外并与工作台面连接，方位轴下端位于主轴框架内并与第一永磁直流力矩电机连接；方位轴外周上设置有第一电磁锁紧装置、第一角接触轴承和第一测角元件。

所述俯仰轴框架的两轴座上分别对应两俯仰轴设置有第二角接触轴承；任一俯仰轴与第二永磁直流力矩电机连接，任一俯仰轴外周上设置有第二电磁锁紧装置和第二测角元件。

所述底座底部还设置有调平脚，以便调平测角仪器标准器。

所述角接触轴承为角接触向心推力球轴承；测角元件为光电编码器、圆光栅传感器或感应同步器。测角系统最关键的是选取测角元件，测角元件的精度和性能直接影响着旋转调制装置的控制精度和动态性能。目前，常用的高精度测角元件包括：光电编码器、圆光栅传感器、感应同步器等。考虑到综合性价比，优选光电编码器作为测角元件。

所述工作台面上设置有用于夹紧被检仪器的夹具，夹具由一对大小挡板构成。挡板间距可调，以夹紧不同外形尺寸的被测仪器仪表，检定/校准时，被测仪器仪表安装在上面。

所述控制系统由智能逻辑控制器（即运动控制器或逻辑控制单元）、测控驱动装置、直流稳压电源、人机通讯单元组成；智能逻辑控制器为可编程逻辑控制器PLC，可编程逻辑控制器PLC包括通讯模块、位控模块和输入输出模块；测控驱动装置包括电机驱动单元（即数字伺服放大驱动器）和所述测角系统；人机通讯单元包括人机界面和串行通讯接口模块，人机界面采用工业触控屏设备。

上述人机通讯单元是系统测控软件的运行载体，测控软件通过若干智能软件模块实现各轴的控制功能，触摸屏通过远控接口模块接收用户设备或本控的标准输入设备（如键盘、鼠标等）输入的启动/停止、运动参数设置及各轴精密测角系统的反馈信息，经有效的信息处理后，通过通讯接口模块向逻辑控制器3发送控制指令，同时担任运动状态显示、故障诊断和显示等任务。

智能逻辑控制器的核心元件是可编程序控制器PLC，用于规划和生成各轴的旋转运动、指定角度定位、复位等运动轨迹，包括通讯模块、位控模块和输入输出模块，通讯模块接收触摸屏的控制指令信息，经指令信息辨别，向位控模块发送位控指令，位控模块接收到指令后产生伺服控制信号至电机驱动单元（两轴各自的数字伺服放大驱动器）。

数字伺服放大驱动器，数字伺服放大驱动器将接收到的伺服控制信号放大后，驱动双轴机械转动装置的永磁直流力矩电机按照指令以位置模式运转。

精密测角系统实时测试输出轴角信息反馈至逻辑控制器，逻辑控制器与双轴机械转动装置方位轴和俯仰轴相对应的数字伺服放大驱动器、精密测角系统组成双轴测控闭环，使方位轴和俯仰轴构成精确的任意空间平面角。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果如下：

1）采用了低速大扭矩驱动技术，低速直流伺服电动机能在长期堵转或者低速情况下输出较大转矩，且不需要经过齿轮减速可直接与负载耦合，有效提高了系统精度及运行平稳性，实现宽角高精度高负载力直接角度测量，角度测量范围达0-360°；并因其加速能力大的优点，有效实现高精度位置的伺服控制，角位置控制精度达±10″。

2）由于本系统应用自动控制的原理，对输出角度进行精密测量的同时实施闭环控制，进一步提高输出角准确度高和稳定性。

3）本系统为两轴系结构，采用U-T结构安装和配合相应的控制，实现空间三维轴角精密测量。简化了系统结构，减低系统体积和重量，大大降低了制造成本。

4）本系统运用触摸屏和PLC相结合技术，实现系统智能化控制与操作。由于使用触摸屏和PLC相结合技术，操作简易方便，触摸屏的运用使操作系统为可视化界面，且具中文菜单，触摸方式输入和USB鼠标操作，使用人员只须有简单的计算机操作知识就可以完成检定；另外因为触摸屏具有程序运行方式，且容量大，给程序设计和调用带来极大方便。

5）采用自动控制、精密测量和计量检定相结合技术，首次实现在任意角度内均可输出具高精度高负载力的标准角技术，开展对各种车轮定位仪等多种类型的测角仪器进行计量检定/校准。

本系统完全符合各种车轮定位仪国家检定规程的要求，遵循的规程有：中华人民共和国计量检定规程----《JJF1154-2006四轮定位仪校准规范》、《JJF1141-2006汽车转向角检验台校准规范》、《JJG（交通）007-1996汽车转向盘转向力—转向角检测仪》、《JJG（交通）020-1999转向力角仪、制动踏板力计检定仪检定规程》、《JJG（辽）- 1995水准式汽车前轮定位测量仪检定规程》等。

综上所述，本发明采用了低速大扭矩驱动技术、自动控制技术、精密测量技术、触摸屏人工智能技术与PLC控制相结合技术，实现在任意角度内均可输出具高精度高负载力的标准角技术，对各种车轮定位仪等多种类型的测角仪器进行计量检定/校准。

附图说明

图1为本发明测角仪器标准器侧视结构示意图。

图2为本发明测角仪器标准器俯视结构示意图。

图3为图2的A-A剖视结构示意图。

图4为本发明测角仪器标准器工作原理框图。

图5为方位旋转轴系组成示意图。

图6为控制系统工作流程框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

如图1至图6所示，本测角仪器标准器，包括转动装置和控制系统，其特征是，所述转动装置为双轴机械转动装置，该装置包括相互交连且垂直的方位旋转轴系和俯仰旋转轴系，每个旋转轴系设有各自的电磁锁紧装置、角接触轴承、永磁直流力矩电机和测角元件，方位旋转轴系与用于放置被检仪器1的工作台面2连接；所述各旋转轴系的测角元件构成测角系统。

方位旋转轴系包括方位轴4、方位轴转台和主轴框架3；俯仰旋转轴系包括俯仰轴框架9和同轴设置的左右两俯仰轴11；俯仰轴框架9呈U型，其开口向上，底部与底座13固定连接，俯仰轴框架9上左右两端对应俯仰轴11设置有轴座；主轴框架3呈T型结构，其设置在俯仰轴框架9内侧，主轴框架3左右两侧与俯仰轴11固定连接，方位轴4和方位轴转台同轴设置在主轴框架3中心；方位轴转台为所述工作台面2，并位于主轴框架3上方。底座13底部还设置有调平脚16。

方位轴4上端伸出主轴框架3外并与工作台面2连接，方位轴4下端位于主轴框架3内并与第一永磁直流力矩电机8连接；方位轴4外周上设置有第一电磁锁紧装置7、第一角接触轴承5和第一测角元件6。俯仰轴框架9的两轴座上分别对应两俯仰轴11设置有第二角接触轴承12；任一俯仰轴11与第二永磁直流力矩电机14连接，任一俯仰轴11外周上设置有第二电磁锁紧装置12和第二测角元件15。

角接触轴承为角接触向心推力球轴承；测角元件为光电编码器。工作台面2上设置有用于夹紧被检仪器1的夹具，夹具由一对大小挡板构成。

控制系统由智能逻辑控制器（运动控制器或逻辑控制单元）、测控驱动装置、直流稳压电源、人机通讯单元组成；智能逻辑控制器为可编程逻辑控制器PLC，可编程逻辑控制器PLC包括通讯模块、位控模块和输入输出模块；测控驱动装置包括电机驱动单元（数字伺服放大驱动器）和所述测角系统；人机通讯单元包括人机界面和串行通讯接口模块，人机界面采用工业触控屏设备。控制系统还包括电磁锁紧装置控制电路等。

用本标准器校准被检四轮定位仪的校准过程。

本实施例采用本标准器对被检四轮定位仪进行校准。按校准规范要求，应校准单轮前束角、车轮外倾角和主轴后倾角三个定位参数。

检定前准备：检定人员将标准器开机通电、各轴调水平，将被检四轮定位仪传感机头垂直放在本标准器工作台面上，由大小挡板预夹紧，将被检和标准仪器水准泡调至零位，将标准仪器各参数置零，然后转动传感器机头，使它上面的纵向水准泡调至零位后锁紧，接通四轮定位仪电源，进入测量程序。

1、单轮前束角示值误差测量。

在全量程（3°～-3°）选取5个点，依次调整标准器的单轮前束角（方位轴转动产生的）至3°、1.5°、0°、-1.5°、-3°各点，读取四轮定位仪各点单轮前束角示值，重复进行正反向各点两次测量（共4次），其平均值与标准器前束角值比较，求出被检四轮定位仪单轮前束角示值误差。

2、车轮外倾角示值误差测量。

在全量程（10°～-10°）选取5个点，依次调整标准器的车轮外倾角（方位轴0°时，转动俯仰轴产生的）至10°、5°、0°、-5°、-10°各点，读取四轮定位仪各点车轮外倾角示值，重复进行正反向各点两次测量（共4次），其平均值与标准器车轮外倾角值比较，求出被检四轮定位仪车轮外倾角示值误差。

3、主轴后倾角示值误差测量。

在全量程（15°～-15°）选取5个点，依次调整标准器的主轴后倾角（方位轴90°时，转动俯仰轴产生的）至15°、7.5°、0°、-7.5°、-15°各点，读取四轮定位仪各点主轴后倾角示值，重复进行正反向各点两次测量（共4次），其平均值与标准器主轴后倾角值比较，求出被检四轮定位仪主轴后倾角值示值误差。

用本标准器检定被检水准式汽车前轮定位测量仪的过程。

采用本标准器对被检水准式汽车前轮定位测量仪进行检定。按检定规程要求，应检定前轮外倾角、主轴后倾角和主轴内倾角三个定位参数。

检定前准备：检定人员将标准器开机通电、各轴调水平，将被检水准式汽车前轮定位测量仪水平放在本标准器工作台面上，由大小挡板预夹紧，将其水准泡D调至零位后锁紧，然后调整被检水准式汽车前轮定位测量仪水准泡A、B、C和标准器水准泡至零位，并将标准仪器各参数置零，进入测量程序。

1、前轮外倾角示值误差测量。

在全量程（5°～-5°）选取5个点，依次调整标准器的车轮外倾角（方位轴0°时，转动俯仰轴产生的）至5°、2.5°、0°、-2.5°、-5°各点，读取被检水准式汽车前轮定位测量仪水准泡A各点示值，重复进行正反向各点两次测量（共4次），其平均值与标准器车轮外倾角值比较，求出被检水准式汽车前轮定位测量仪前轮外倾角示值误差。

2、主轴后倾角示值误差测量。

在全量程（10°～-3°）选取5个点，依次调整标准器的主轴后倾角（方位轴90°时，转动俯仰轴产生的）至10°、6°、3°、0°、-3°各点，读取被检水准式汽车前轮定位测量仪水准泡B各点示值，重复进行正反向各点两次测量（共4次），其平均值与标准器主轴后倾角值比较，求出被检被检水准式汽车前轮定位测量仪主轴后倾角值示值误差。

3、主轴内倾角示值误差测量。

在全量程（16°～0°）选取5个点，依次调整标准器的主轴内倾角（方位轴±20°时，转动俯仰轴产生的）至16°、10°、5°、2°、0°各点，读取被检水准式汽车前轮定位测量仪水准泡C各点示值，重复进行正反向各点两次测量（共4次），其平均值与标准器主轴内倾角值比较，求出被检水准式汽车前轮定位测量仪主轴内倾角示值误差。

用本标准器校准被检汽车前轮转角仪的校准过程。

采用本标准器对被检汽车前轮转角仪进行校准。按校准规范要求，应校准前轮转角仪示值误差。

检定前准备：检定人员将工作台面上大小挡板卸下，开启标准器电源，将标准仪器调水平及各参数置零，然后将被检前轮转角仪水平放在本标准器工作台面上，相对固定，进入测量程序。

在全量程（45°～-45°）选取9个点，依次调整标准器的转角（方位轴转动产生的）至45°、30°、15°、5°、0°、-5°、-15°、-30°、-45°各点，读取前轮转角仪各点示值，重复进行正反向各点两次测量（共4次），其平均值与标准器转角值比较，求出被检前轮转角仪示值误差。

用本标准器检定被检电子水平尺的过程。

采用本标准器对被检电子水平尺示值误差和测角重复性进行校准。

检定前准备：检定人员将标准器开机通电、各轴调水平及各参数置零，将被检电子水平尺水平放在本标准器工作台面上，由大小挡板预夹紧，然后转动被检电子水平尺，使它上面的纵向水准泡调至零位后锁紧，进入测量程序。

1、示值误差测量。

在全量程（-10°～100°）选取8个点，依次调整标准器的倾角（方位轴0°时，转动俯仰轴产生的）至-9°、-5°、0°、20°、40°、60°、80°、99°各点，读取被检电子水平尺各点示值，此为正程；再反向依次调整标准器倾角至99°、80°、60°、40°、20°、0°、-5°、-9°各点，读取被检电子水平尺各点示值，此为反程。以上为一个循环，共循环3次。

将各点3次循环的平均值与标准器倾角值比较，求出被检电子水平尺示值误差。

2、测角重复性测量。

根据以上各点3次循环的校准数据，用白塞尔公式求出该点的测角标准差S_i，则电子水平尺的测角重复性S按下式计算。

。

Claims (3)

1.一种测角仪器标准器，包括转动装置和控制系统，其特征是，所述转动装置为双轴机械转动装置，该装置包括相互交连且垂直的方位旋转轴系和俯仰旋转轴系，每个旋转轴系设有各自的电磁锁紧装置、角接触轴承、永磁直流力矩电机和测角组件，方位旋转轴系与用于放置被检仪器（1）的工作台面（2）连接；所述各旋转轴系的测角组件构成测角系统；

所述方位旋转轴系包括方位轴（4）、方位轴转台和主轴框架（3）；俯仰旋转轴系包括俯仰轴框架（9）和同轴设置的左右两俯仰轴（11）；俯仰轴框架（9）呈U型，其开口向上，底部与底座（13）固定连接，俯仰轴框架（9）上左右两端对应俯仰轴（11）设置有轴座；主轴框架（3）呈T型结构，其设置在俯仰轴框架（9）内侧，主轴框架（3）左右两侧与俯仰轴（11）固定连接，方位轴（4）和方位轴转台同轴设置在主轴框架（3）中心；方位轴转台为所述工作台面（2），并位于主轴框架（3）上方；

所述方位轴（4）上端伸出主轴框架（3）外并与工作台面（2）连接，方位轴（4）下端位于主轴框架（3）内并与第一永磁直流力矩电机（8）连接；方位轴（4）外周上设置有第一电磁锁紧装置（7）、第一角接触轴承（5）和第一测角组件（6）；

所述俯仰轴框架（9）的两轴座上分别对应两俯仰轴（11）设置有第二角接触轴承（12）；任一俯仰轴（11）与第二永磁直流力矩电机（14）连接，任一俯仰轴（11）外周上设置有第二电磁锁紧装置（10）和第二测角组件（15）；

所述工作台面（2）上设置有用于夹紧被检仪器（1）的夹具，夹具由一对大小挡板构成；

所述控制系统由智能逻辑控制器、测控驱动装置、直流稳压电源、人机通讯单元组成；智能逻辑控制器为可编程逻辑控制器PLC，可编程逻辑控制器PLC包括通讯模块、位控模块和输入输出模块；测控驱动装置包括电机驱动单元和所述测角系统；人机通讯单元包括人机界面和串行通讯接口模块，人机界面采用工业触控屏设备。

2.根据权利要求1所述的测角仪器标准器，其特征是，所述底座（13）底部还设置有调平脚（16）。

3.根据权利要求1所述的测角仪器标准器，其特征是，所述角接触轴承为角接触向心推力球轴承；测角组件为光电编码器、圆光栅传感器或感应同步器。