一种高精度直线定位技术的研究_段冰强.pdf

自动化监测设备和测量机器人在工程测量领域受到越来越广泛的关注。针对仿生式自动化测斜系统中的测斜仪定位问题，该文研究了一种高精度直线定位技术。该技术基于计米脉冲计数的原理，利用运动时牵引绳的张力带动计米轮和编码器旋转的方式，实现了高精度的运动距离脉冲计数。该文详细分析了其机械原理，并建立了理论模型。通过系统性的实验测试，分别研究了不同因素对其定位精度的影响。实验数据表明了该技术可以实现亚 mm 级的定位精度。通过在仿生式自动化测斜系统的应用测试，表明了直线定位技术对测斜的数据精度有极为重要的影响。该技术结构简洁且可靠性高，在牵引类测量机器人中具有非常广阔的应用前景。关键词:直线定位;计米脉冲计数;测量机器人;自动化测斜系统中图分类号:TH822文章编号:1000 0682(2023)04 0012 06文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th 2023 04 003esearch on a high precision linear positioning technologyDUAN Bingqiang(Shanghai Medo Monitoring Technology Co，Ltd，Shanghai 201203，China)Abstract:Automatic monitoring equipment and measuring robots have received more and more atten-tion in the field of engineering measurement Aiming at the problem of inclinometer positioning in thebionic automatic inclinometer system，this paper studied a high precision linear positioning technologyThis technology was based on the principle of meter pulse counting，applying the tension of the tractionrope to drive the meter wheel and encoder to rotate，to achieve high precision pulse counting of movingdistance In this paper，the mechanical principle was analyzed in detail，and the theoretical model wasestablished Through systematic experimental testing，the research showed that it could achieve sub millimeter level positioning accuracy The application test in the bionic automatic inclinometer system，showed that the linear positioning technology had a very important influence on the data accuracy of incli-nometer The technology has a simple structure and high reliability，and has a very broad applicationprospect in the measuring robotKeywords:linear positioning;meter pulse counting;measuring robot;automatic inclinometer system0引言工程测量包括在工程建设勘测、设计、施工和管理阶段所进行的各种测量工作1。它不仅关系到工程建设的施工质量，而且还是把控工程建设的安全关键手段1。随着工程施工项目的数量、基坑深度和规模越来越大，传统的人工监测技术已经无法满足工程测量的要求2 4。因此，自动化监测设备和测量机器人受到广泛的关注和发展，由于其测量频率高、精度高、时效性好等优点5 12。仿生式自动化测斜系统(Bionic Automated In-clinometer System)是一项替代人工测斜的自动化监测技术9 12。它是利用控制单元驱动电机代替人工实现对测斜传感器的提升、下放以及 180的旋转，通过高精度定位技术来准确控制测斜传感器的测量位置。要实现高精度和高准确的测量，除了传感器自身的精度以外，将传感器放置到指定位置的21工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期高精度定位技术也是至关重要的9 11。在 2021年，王启飞等人报道了一种仿生式测斜系统，采用直流电机代替人力牵引线缆式测斜仪10。同时，在线缆上每 0 5 m 设置一个磁环标志，系统的上位机可以识别磁环标志并准确记录测斜仪当前的位置，从而实现了测斜仪的准确定位。但是，高频率的测量会导致线缆被磨损，并且磁环标识也容易在运动过程中损坏，很大程度上限制了该系统的实际应用。迄今为止，少有论文报道仿生式自动化测斜系统中的高精度定位技术，以及相关的研究工作11。基于此，该文研究了一种高精度直线定位技术。该技术基于计米脉冲计数的原理和一种新型的计米结构设计，可以实现亚 mm 级的定位精度。该技术具有结构简洁、可靠性高、抗疲劳等优点，具有非常广阔的前景。1技术原理与理论分析1 1技术原理高精度直线定位技术主要由计米轮、编码器、编码器安装支架、线筒结构以及支撑结构组成，其结构原理图如图 1 所示。线筒结构由一对进线竖向线筒、一个进线横向线筒、一对出线竖向线筒和一个出线横向线筒组成，呈现一个“井”字型结构。电机控制的牵引绳置于进线横向线筒的上端，并且从两个进线竖向线筒之间穿过。紧接着，牵引绳紧贴于计米轮下端，再从两个出线竖向线筒之间穿过，最后从出线横向线筒的上端穿出，连接至负载。计米轮与编码器的主轴连接，并带动其旋转。编码器连接固定于安装支架上。编码器安装和线筒结构都固定于支撑结构上。图 1定位技术的结构原理图其技术原理如下:由于牵引绳紧贴着计米轮的外径，在电机的带动下，运动的牵引绳会带动计米轮旋转。又因为计米轮连接着编码器，当计米轮旋转时，编码器会随着计米轮旋转而输出的脉冲数，由控制器或者计数器进行实时的记录与计算。已知计米轮的直径 d 和编码器的线束 B，就可以得到编码器输出的每个脉冲数所代表的距离，即单位脉冲距离 D:D=d4B(1)控制器或者计数器实时记录编码器输出的总脉冲数 P，从而计算钢丝绳收放的长度 L=P D，最终实现无线测斜仪的准确定位。单位脉冲距离 D 代表了系统的分辨率。根据公式(1)可以看出，如果计米轮的直径越小或者编码器的线束越高，则系统的分辨率就越高。一般而言，系统的精度也会提高。但是，如果计米轮的直径越小，牵引绳对计米轮的摩擦磨损会更加显著;编码器的线束越高会增加系统的成本。因此，需要根据实际的应用场景，选择合适的系统参数。1 2理论分析图 2 出示了高精度直线定位技术的受力分析图。在该结构中，存在着分别作用在钢丝绳两端的电机拉力 FM和负载拉力 FL。计米轮和横向线筒之间存在一个距离 DC，使得计米轮对钢丝绳产生一定的挠度(该参数也是研究的对象之一)。此时，钢丝绳对计米轮产生一个向上的张力 F，以及计米轮受到钢丝绳的摩擦力 Ff，即:Ff=F(2)其中:为摩擦系数。图 2定位技术的受力分析图根据该结构的受力分析，可以得到以下张力 F的公式，即:F=F1cos+F2cos(3)其中:F1为 FM传递至钢丝绳的拉力，其数值等于 FM;F2为 FL传递至钢丝绳的拉力，其数值等于FL。为 AC 与 DC 之间的夹角，为 BC 与 DC 之间的夹角。通过三角几何关系可以求得 cos 和 cos，之后312023 年第 4 期工业仪表与自动化装置就可以得到公式(4)，即:F=FMDCAD2+DC2+FLDCBD2+DC2(4)不考虑系统在加减速的情况，因为该时间段非常的短暂。系统在静止状态或者匀速运动状态下，FM等于 FL。因此，钢丝绳对计米轮的张力 F 公式可以简化为:F=FL(DCAD2+DC2+DCBD2+DC2)(5)从公式(5)中可以看出，钢丝绳对计米轮产生的张力 F 与距离 AD、距离 BD 呈反比关系，与挠度DC 和负载的大小呈正比关系。2实验部分2 1样品制备图 3 出示了高精度直线定位装置的实物图，以及在仿生式自动化测斜设备11 中的应用。计米轮采用聚氨酯的材质制成，具有高耐磨、抗打滑等优异性能。编码器采用高精度的计米专用编码器，其主轴与计米轮的内孔配套，采用平端紧定螺丝紧固。编码器安装支架采用 304 不锈钢钣金件制成，具有高强度和高韧性等优点。“井”字型的线筒结构中，线筒采用了 440 不锈钢加表面淬火处理，其硬度高达(45 55)HC，具有高耐磨、抗疲劳性等优异性能。线筒结构的两端内置了微轴承，使得线筒可以绕轴自由旋转，减少对钢丝绳的摩擦力。装置的的支撑结构采用铝合金材质和 CNC 加工定制，其尺寸精度高，使得装配尺寸的精度基本都控制在亚 mm 级。图 3实物图为了研究了编码器线束、计米轮直径、挠度(距离 DC)分别对直线定位精度的影响，不同直径的计米轮、不同线束的编码器和不同的挠度被选用，详细参数见表 1。其中，挠度的变化通过选用了不同直径大小的出线横向线筒和进线横向线筒。通过公式(1)计算每个样品的单位脉冲距离D，记录在表格的最右侧一列，代表其分辨率的范围从最大的 1 178 mm 到最小的 0 039 mm。序号 1至序号 5 的样品，在一定的计米轮直径和挠度，测试研究了不同编码器线束对直线定位精度的影响。序号 6 至序号 10 的样品，在一定的编码器线束和挠度，测试研究了不同计米轮直径对直线定位精度的影响。序号 11 至序号 16，在一定的计米轮直径和编码器线束，测试研究了不同挠度对直线定位精度的影响。表 1不同因素对直线定位精度的影响的实验参数表序号计米轮直径 d/mm编码器线束 B挠度/mm(线筒直径)分辨率 D/mm123456789101112131415163030303030605040302030303030303020601002004004004004004004004004004004004004002(10 mm)2(10 mm)2(10 mm)2(10 mm)2(10 mm)2(10 mm)2(10 mm)2(10 mm)2(10 mm)2(10 mm)1(8 mm)1 5(9 mm)2(10 mm)2 5(11 mm)3(12 mm)3 5(13 mm)1 1780 3920 2360 1180 0590 1180 0980 0790 0590 0390 0590 0590 0590 0590 0590 05941工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期2 2计米轮受力测试2 2 1实验环境计米轮受力测试环境主要包含定位底板、压力传感器、压力传感器支架、配重块、计米轮固定件以及计米结构等。计米轮固定件与计米结构中的计米轮固定，使计米轮与压力传感器接触面为平面。压力传感器固定在支架上，在计米轮正上方的位置。钢丝绳一端固定，另一端穿过计米结构与配重块相连。在测试时，配重块悬空并牵引着钢丝绳。钢丝绳对计米轮产生向上的张力，并传递到压力传感器，从而测得张力的大小。图 4张力测试平台2 2 2实验步骤依次将直径为 8 mm、9 mm、10 mm、11 mm、12mm 和 13 mm 的横向线筒安装至计米结构上，然后用与负载一样重量的配重块牵引钢丝绳，使钢丝绳产生对计米轮的张力。待压力传感器数值稳定后记录不同挠度下的读数。2 2 3实验结果图 5 出示了不同挠度下，钢丝绳对计米轮产生的张力 F 的理论值和实测值。其中，已知距离 AD=23 mm、BD=23 mm、FL=20 N、和距离 DC 即挠度值，根据公式(5)计算求得理论值。从图中可以看出，随着钢丝绳与计米轮的挠度增加，张力 F 也会增加，呈线性关系。同时，理论值和实测值的数值接近，并且趋势一致。这说明理论公式(5)是正确的，可以作为设计高精度直线定位装置的理论指导。图 5不同挠度对张力的影响2 3定位精度测试2 3 1实验环境一个高精度直线定位精度测试平台用于研究直线定位技术的精度情况，主要由一个主体框架、高精度数显卡尺、配重块、导向管和钢丝绳固定结构组成。测试平台的高度大于 1 m，最大量程 800 mm，精度高达 0 02 mm。仿生式自动化测斜设备11 安装至框架的一侧，其钢丝绳在穿过直线定位装置的计米结构之后，与数显卡尺通过固定结构连接，最后连接到一个配重块。一根导向管子作为配重块的运动轨道防止配重块在运动时发生晃动。其技术原理如下:通过控制指令，仿生式自动化测斜设备牵引配重块运动指定的距离，例如运动500 mm。仿生式自动化测斜设备会根据内置的直线定位装置来实时判断当前的运动距离，直到达到指定的运动距离。在该精度测试平台上，数显卡尺会在钢丝绳牵引下随之运动同样的距离，其显示器显示实际的运动距离，用于检定直线定位装置的精度。图 6直线定位精度测试平台2 3 2实验步骤将仿生式自动化测斜设备安装至高精度直线定位精度测试平台。通过控制指令，仿生式自动化测斜设备牵引配重块回到零点位置，然后分别下放100 mm、200 mm、300 mm、40 0mm、500 mm、600mm、700 mm，线盘转速为 30 rad/min，重复 12 组，并记录数显卡尺显示器读数。2 3 3实验结果在实际应用中，该高精度直线定位装置存在一定的系统误差。该系统误差包含一个线性误差和一个定值误差。线性误差的产生主要是由于加工误差和装配误差导致的，例如计米轮的直径大小、计米轮与钢丝绳之间的平行度等。定值误差主要是由于传动间隙引起的。该系统误差可以在精度测试平台中测量获得，并且可以通过修正输出的总脉冲数来进行补偿。修正后的总脉冲数 Pm和钢丝绳收放的长512023 年第 4 期工业仪表与自动化装置度 Lm，分别如公式(6)和公式(7):Pm=k P+CD(6)Lm=Pm D=k P D+C(7)其中:k 为线性修正系数;C 为修正常数。图 7 出示了高精度直线定位装置的绝对精度测试结果，对比了未修正与修正后的精度情况。为了直观地进行分析，基于测得的数据，我们计算了其线性回归方程:理想情况的线性回归方程:y=x;未修正时的线性回归方程:y=1 017 4x 0 23;修正后的线性回归方程:y=0 999 4x+0 24。从实际的数据显示，高精度直线定位装置确实存在系统误差，与理想的线性方程存在一定的偏差。这可能是由于计米轮的实际直径、打滑现象、计米轮与钢丝绳的平行度等因素导致的。在这个样品中，存在 1 74%的线性误差和 0 23 mm 的定值误差。虽然其定值误差非常的小且影响不大，但是 1 74%的线性误差是比较大的。如果测量深度大于 30 米的话，实际下放距离的偏差已经超出 500 mm 了，相当于一个测点的距离。通过引入修正数 k 和 C 可以极大程度地补偿高精度直线定位装置的系统误差。在该样品中，基于未修正的数据情况，计算可得需要添加的 k=1/1 017 4，C=0 23。给仪器添加修正数以后，对输出的总脉冲数进行了补偿，再次进行测量获得修正后的精度情况。通过修正后的线性回归方程，我们可以看到该样品的定值误差变成了024 mm，其线性误差减少到了006%，完全符合深基坑应用中的要求(如果测深 100 m，实际下放距离的偏差仅为 60 mm)。图 7绝对精度测试结果图 8 出示了编码器线束和计米轮直径分别对重复精度的影响(采用标准差 评估法13)。当编码器的线束逐渐增大时，直线定位重复精度先是显著地提升，然后缓慢提高，最后逐渐趋于平稳。具体地讲，当编码器线束从 20 增加到 400 时，系统的分辨率从 1 178 mm 提高到了 0 059 mm，重复精度从标准差 0 566 mm 先是显著地提高到 0 291 mm，然后再慢慢地提升到 0 121 mm。该变化趋势与公式(1)预测的相符合。更进一步地，当编码器线束为 400，计米轮的直径从 60 mm 减少到 20 mm 时，系统的分辨率从0 118 mm 提高到了 0 039 mm，重复精度呈线性地提高从标准差 0 21 mm 到 0 053 mm。该变化趋势同样与公式(1)相符合。值得注意的是，在实际的应用中，不宜选择直径过小的计米轮即使可以获得很高的系统分辨率。因为在同样的运动距离下，直径越小的计米轮旋转的速度越快，且摩擦磨损也越快。如何表征、提高和保证该高精度直线定位装置的抗疲劳性是未来重点研究的对象。图 8编码器线束和计米轮直径分别对重复精度的影响图 9 出示了不同挠度的情况下，直线定位重复精度的表现。从图中可以看出，随着挠度的增加，重复精度先逐渐减少，再达到最低值以后，又缓慢的增加。其数值范围变化并不大，当挠度为 1 mm 时，其标准差最大为 0 212 mm;最小的是当挠度为 2 mm时，其数值为 0 121 mm。这可能是由于施加到计米轮上的张力 F 过小时，导致计米轮受到的摩擦力 Ff过小，从而可能存在打滑的现象。如果施加到计米轮上的张力 F 过大时，计米轮被挤压变形，也会导致实际的计米轮直径 D 存在偏差，从而增加随机误差。因此，实测的结果表明应该将挠度，或者说张力 F，控61工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期制在一个合理的范围，有助于提高系统的重复精度。图 9挠度对重复精度的影响2 3应用测试在仿生式自动化测斜系统的应用中，该高精度直线定位装置表现出非常好的技术效果。此前，我们小组报道了基于该定位技术的仿生式自动化测斜系统具有优异的测量线性度和精度，其精度误差小于 2%11。这在很大程度上得益于直线定位装置的高精度性能。进一步地，我们定量地研究了定位精度对测斜精度的影响。图 10 出示了在测斜管 1 5 米处变形20 mm 的情况下，下放或者上拉的运动距离偏差对测斜绝对精度的情况(通过修正数 k 和 C 来设置运动距离的偏差，此次试验选用的是每 500 mm 偏差50 mm)。组 1 是准确的定位精度作为对照组，测量真实地反应了测斜管变形的情况。下放距离正确但上拉距离偏少时(组 2 数据)，或者上拉距离正确但下放距离偏多(组 5 数据)时，测量数据会偏小，测斜曲线往负方向偏移。当下放距离正确但上拉距离偏多时(组 3 数据)，或者上拉距离正确但下放距离偏少(组 4 数据)时，测量数据会偏大，测斜曲线往正方向偏移。同时，还可以发现下放距离误差带来的影响要大于上拉距离误差带来的影响。图 10定位精度对测斜绝对精度的影响由此可见，当定位精度不准确时，测斜的绝对精度会发生偏差，测量数据会失真。除了对绝对精度的影响，图 11 出示了在不同直线定位装置分辨率(即单位距离脉冲数 D)的情况下，测斜重复精度的表现情况。从图中可以看出，随着分辨率的提高，测斜重复精度先是显著提高，然后趋于平稳，与图 8 有一定的对应关系。更具体地，分辨率从 1 2 mm 提高到 0 8 mm 时，重复精度从标准差 =1 75 mm，最大正负误差 =[phone]快速提高到了 =0 23 mm，=+0 313 0 195。当进一步从 0 8 mm 提高到 0 06 mm 的过程中，重复精度提升不明显，标准差从 =0 23 mm 提高到了 =0 12 mm，而 几乎不变。实验表明了仿生式自动化测斜系统的定位精度对测斜的数据精度有极为重要的影响。然而，在基坑监测规范中，并没有对在土体测斜时的定位精度进行严格的规范要求14。图 11定位精度对测斜重复精度的影响3结论针对仿生式自动化测斜系统中的测斜仪定位问题，该文研究了一种高精度直线定位技术。该技术基于计米脉冲计数的原理，利用运动时牵引绳的张力带动计米轮和编码器旋转的方式，实现了高精度的运动距离脉冲计数。该文详细分析了其机械原理，并建立了理论力学模型。通过系统性的实验测试，分别研究了计米轮直径、编码器线束和挠度对其定位精度的影响。实验数据表明了该技术可以实现亚 mm 级的定位精度，并且具有优异的线性度。更进一步地，通过在仿生式自动化测斜系统的应用测试，表明了直线定位技术对测斜的数据精度有极为重要的影响。保证测斜仪定位精度的准确，是保证测斜精度准确的前提之一。在重复精度方面，研究发现当定位装置的分辨率从 1 2 mm 提高到 0 8 mm 时，测斜的重复精度显著提高，但是在进一步提高到 0 06 mm 时，测斜的重复精度则提升不明显。该技术结构简洁且可靠性高，在牵引类测量机器人中具有非常广阔的应用前景。(下转第 34 页)712023 年第 4 期工业仪表与自动化装置4结论在工业生产过程中，气动控制阀在介质流量的控制方面使用及其广泛，其流量特性直接影响产品的质量和资源的的优化配置。针对目前国内气动控制阀企业用户缺乏科学的检测手段这一问题，该文设计一种基于 LabVIEW 的气动控制阀流量特性检测系统，结合流体机械、PLC 电气控制、变频驱动、数据采集、通讯、数据库等多学科交叉融合技术，为提高检测精度、降低成本、保障设备和人身安全提供一种新的视角，具有一定的实用和推广价值。当控制阀公称直径较小或介质流量为缓流状态时，阀门前后压差和流量检测较为困难，流量特性难以检测或结果误差相对较大，因此后续研究可从提高小公称直径或缓流状态下的气动控制阀流量特性检测精度着手。参考文献:1 胡毅均 阀门故障检测技术及其研究进展 J 阀门，2021(5):282 286 2张晶愉 控制阀性能评估软件设计与开发D 杭州:浙江工业大学，2019 3 张家振 阀门数字化集成设计平台之工程分析自动化的研究及应用 D 兰州:兰州理工大学，2020 4 YAN C G，WEI Y Z，XU C，et al Experimental verifi-cation and electromagnetic mechanics acoustic field cou-pling analysis of transformer pressure relief valve malfunc-tions due to extemal short circuit faultsJ IEEETransactions on Magnetics，2019，55(6):819 822 5王兴宏，魏玲，周婷，等 基于计算机技术的 Lab-VIEW 系统仿真设计研究J 白城师范学院学报，2019(4):15 17 6 廖常初 S7 200 SMAT 型 PLC 的技术特点 J 电世界，2016，57(07):1 4 7 TAMBOLI S，AWALE M，THOAIET，et al Implem-wntation of Modbus TU and Modbus TCP communicationusing Siemens S7 1200 PLC for batch processC/2015 international conference on smart 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