专利名称：用于精密计量的时栅式数控分度转台的制作方法
技术领域：
本发明属于精密机械加工和检测技术领域，具体涉及一种用于精密计量的时栅式数 控分度转台。
背景技术：
在精密计量领域，大量涉及角度的精密测量，常常要达到角秒级、乃至更高的精度， 需要快速、精确地实现角度定位。传统的定位方法是用精密数显分度转台来实现，计量 人员转动数显分度转台的手轮，同时观察分度转台数显表上显示的角度，人为的进行角 度的精密定位。计量人员通过手来控制手轮转动转台，很难准确的进行角秒级和更高精 度的角度定位，需要有良好的手感和反复的调整，工作强度大，工作效率不高。
发明内容
本发明针对上述问题，公开了一种用于精密计量的时栅式数控分度转台。使用该转台 时，计量人员只需要通过数控系统的键盘输入角度值和转动方向，就可以实现快速、精 确的角度定位，避免人为的转动手轮，降低了工作强度，可以大大提高工作效率。
本发明采用的技术方案是
用于精密计量的时栅式数控分度转台，可以在0-360度的角度范围内任意位置实现
精确定位，所述数控分度转台由相对独立的数控箱和机械部件两部分组成，两者之间由 一根电缆相连。数控箱中包括基于单片机的步进电机数控系统和时栅角度位移传感器电
路部分、电源部分；机械部件包括精密机械转台、步进电机和时栅角度位移传感器机械部分。
所述基于单片机的步进电机数控系统包括单片机、电源电路、复位电路、步进电机 驱动电路、细分电路、串口电路、键盘电路和显示电路。
通过数控系统的键盘电路输入包含转台转动角度值和转动方向信息的指令，转动方 向可以顺时针方向和逆时针方向，转动角度值可以是相对角度值，也可以是绝对角度值。 显示电路显示输入的指令，计量人员确认指令无误，按确认键确认后，单片机根据指令 中的信息，经计算发出相应的脉冲信号，步进电机驱动电路对脉冲信号进行功率放大， 细分电路用于对脉冲信号进行电流细分后，驱动刚性连接在机械转台蜗轮副蜗杆上的步 进电机按照指令中的转向转动至指定角度值。安装在机械转台上的时栅角度位移传感器检测转台转过的角度，并通过串口电路输入数控系统单片机作为角度反馈信息，从而形 成闭环控制，控制转台按照指定转向精确定位至指定角度。
所述时栅角度位移传感器包括定子绕组、动测头和定测头，所述动测头包括动测头 骨架和缠绕在动测头骨架上的动测头感应线圈，所述定测头包括定测头骨架和缠绕在定 测头骨架上的定测头感应线圈。
电源为定子绕组提供三相交流电源，并产生旋转磁场，所述定测头与定子绕组位置 相对固定，固定在所述机械转台的静止部分，所述动测头和分度转台的转动部分刚性联 结，随转台的转动而转动；
所述动测头感应线圈信号输出端和所述静测头感应线圈信号输出端分别连接到所述 传感器电路的输入端；
当分度转台发生转动，产生角度位移时，动、定测头上的感应线圈在定子绕组产生 的旋转磁场中感应出两路频率相同但初相位不同的信号，定测头感应线圈信号的初相位 不发生变化，动测头感应线圈信号的初相位随转台的转动而变化；信号处理和数字显示 电路将两路信号的相位差转换成角度位移量，并通过串口电路把角度位移量输入数控系 统作为反馈信号，同时通过数控系统显示电路实时显示角度值。
时栅角度位移传感器电源先将交流电转换成直流电，然后主要通过移相电路输出三 相交流电，电源的频率可以调整，三相交流电每两相之间的相位差可以精确控制。
时栅角度位移传感器定子绕组的结构和普通电机的定子绕组完全类似，按照星形接 法或三角形接法与电源相位互差120度的三路输出相连，则在定子绕组和动、定测头的 气隙中产生旋转磁场。动测头和定测头的结构完全一样，都是在骨架上绕感应线圈。旋 转磁场分别掠过动测头和定测头上感应线圈中与磁场旋转方向垂直的感应导线时，动、 定测头上分别感应出两路正弦电压信号。信号的强弱与磁场磁感应强度、磁场的旋转速 度以及感应导线的匝数有关。动测头和分度转台的转轴刚性相连，随转台的转动而同步 转动；定测头和转台的静止部分相连。定测头上感应出的信号的初相位固定不变，动测 头上感应出的信号的初相位随定测头在旋转磁场中的位置不同而不同。当动测头相对于 定测头转过一周时，动测头上的感应信号的初相位相对于定测头上感应信号的初相位变 化360度，则两路信号的相位差和转台转过的角度一一对应。
传感器电路包括两个滤波电路，两个放大电路和一个比相电路，两个滤波电路的两 个输入端分别与动测头信号和定测头信号相连，信号经滤波后，由放大电路进行放大， 然后由比相电路对两路信号的相位进行比较，相位差等于角位移量，串口电路将角位移量输入所述数控系统。
由于采用了基于单片机的步进电机数控系统和高精度时栅角度位移传感器，可以实 现快速、精确的角度定位，大大提高工作效率，降低工作强度，本发明可广泛的用于精
密计量领域的角度精确定位。
图1是用于精密计量的时栅式数控分度转台示意图。
图2是用于精密计量的时栅式数控分度转台机械结构图。
图3是用于精密计量的时栅式数控分度转台信号处理框图。
图4是用于精密计量的时栅式数控分度转台时栅角度位移传感器相位差和角位移 关系示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
参见图1，本时栅式数控分度转台在结构上由相对独立的数控箱1和机械部件2两 部分组成，两者之间仅仅由一根电缆相连。数控箱l中包括基于单片机的数控系统ll、 传感器电路12和传感器电源13。所述基于单片机的数控系统11包括单片机110、显示 电路111、键盘电路112、电源电路113、复位电路114、步进电机驱动电路115、细分 电路116和串口电路117。电源电路113通过单片机110的电源引脚给单片机供电；复 位电路114通过单片机复位引脚和单片机相连，用于对单片机复位；步进电机驱动电路 115通过脉冲宽度调制引脚和单片机110相连，接收单片机发出的脉冲信息；步进电机 细分电路116和步进电机驱动电路115相连，用于脉冲细分；时栅位移传感器的比相电 路输出的角度信号通过串口电路输入单片机110;键盘电路112通过接口电路连接到单
片机uo，用于输入指令；显示电路m通过接口电路连接到单片机iio，用于显示键盘
电路输入的指令和当前时栅位移传感器检测到的角度值。传感器电路12包括信号放大电 路、滤波电路和比相电路等。机械部件2包括步进电机21、机械转台22和时栅角度位 移传感器机械部分23。
显示电路110主要包括显示驱动模块和显示屏，显示屏上主要显示通过键盘电路输 入的指令、时栅角度位移传感器的实时角度值、步进电机的当前工作状况等；键盘电路 112主要包括数字键、字母键和功能键，主要用于输入指令和开关数控系统等；单片机主要完成指令的编译、逻辑和数学运算、步进电机的控制等功能；步进电机驱动电路主 要实现功率放大；步进电机细分电路主要实现电路细分，以细分步进电机步距角度。
参见图2，是时栅式数控分度转台的机械结构图。步进电机刚性连接在转台涡轮副 213的蜗杆上，蜗杆安装在转台外壳214上，涡轮副的涡轮是转台台面211，涡轮和转 台芯轴212通过螺栓连接在一起，转台芯轴212和转台外壳214之间是滑动配合。转接 轴221和转台芯轴212通过螺栓连接在一起，动测头222和转接轴221通过螺栓连接在 一起。定子绕组的骨架由非导磁材料内芯224和铸铁外壳225通过过盈配合组装而成， 通过螺栓和转台外壳214连接在一起。定测头223通过螺栓固定在转台下盖板215上， 下盖板215通过螺栓和转台外壳214连接在一起。转接轴221和转台下盖板215之间是 滑动配合。
定子绕组224和一般电机的定子绕组结构完全类似，通过在骨架上绕制三相交流绕 组而成。动测头222和定测头223的结构完全一致，都是在非金属盘状骨架的上绕以多 匝感应线圈。定子绕组224、动测头222和定测头223同心安装，定子绕组和动、定测 头之间形成气隙，动测头随转台的转动而转动，定测头相对于转台外壳静止不动。
参见图3，通过数控系统的键盘电路112输入包含转向和转动角度信息指令，该指 令由显示电路lll在数控系统屏幕上显示，操作人员确认输入指令正确后，按确认键确 认，数控系统单片机110对指令进行编译，根据指令中的信息，经计算后发出相应的脉 冲信号，步进电机驱动电路115对脉冲信号进行功率放大，细分电路116对脉冲信号进 行电流细分后，驱动刚性连接在机械转台蜗轮副蜗杆上的步进电机按照指令中的转向转 动至指定角度值。所述数控转台理论上可以转动的最小角度A(9由由数控系统细分电路 的细分倍数w、步进电机的步距角a和机械转台蜗轮副的传动比尺决定
A。 360°x60'x60"xa AP =--
WxKx360。
例如细分电路的细分倍数是A^600、步进电机的步距角为"=1.8°、机械转台蜗轮
副的传动比为〖-720:l，则所述数控转台通过数控系统的控制可以转动的最小角度是 △(9 = 0.015"。
传感器电源13的三相输出通过电缆与定子绕组224的三相交流绕组连接，给定子 绕组224供电。为保证时栅角度位移传感器可靠稳定地工作，要求电源信号的频率要精 确、稳定，三相输出的初相位要精确互差120度。交流绕组通电后，在气隙中形成转速
7恒定的旋转磁场225，该磁场掠过动测头222和定测头223的感应线圈中垂直于磁场转 动方向的导线时，在动测头222、定测头223的感应线圈上分别感应出正弦交流信号。 两路信号的频率相同，但初相位不同。在转台转动过程中定测头信号的初相位不发生变 化，动测头信号的初相位随着转台的转动而变化，转台转过一周时，初相位变化360 度。两路信号分别经传感器电路的滤波电路121、放大电路122等处理后，输入比相电 路124进行比相，高频时钟123的信号也输入比相电路124，两路信号的相位差等于转 台转过的角度，该角度值通过串口电路117被输入数控系统单片机110作为角度反馈信 息，从而形成闭环控制，控制转台按照指定转向精确定位至指定角度。
参见图4，定测头信号41的初相位始终不变，动测头信号42的初相位随着动测头 相对于定测头的转动而变化。步进电机带动蜗杆转动时，转台转过的角度9约为90度、 180度、270度、360度时，动、定测头两路信号的波形图分别如图4A、图4B、图4C、 图4D所示，两路信号相位差A^分别约为90度、180度、270度、360度，分别和转台
转过的角度e相等。
权利要求
1、一种用于精密计量的时栅式数控分度转台，可以在0-360度的角度范围内任意位置实现精确定位，所述时栅式数控分度转台包括基于单片机的步进电机数控系统、步进电机、精密机械转台、时栅角度位移传感器，其特征在于所述数控分度转台由相对独立的数控箱和机械部件两部分组成，数控箱中包括基于单片机的步进电机数控系统和时栅角度位移传感器电路部分、时栅角度位移传感器电源部分；机械部件包括精密机械转台、步进电机和时栅角度位移传感器机械部分；所述基于单片机的步进电机数控系统包括单片机、电源电路、复位电路、步进电机驱动电路、步进电机细分电路、串口电路、键盘电路和显示电路；所述电源电路通过单片机电源引脚给单片机供电；复位电路通过单片机复位引脚和单片机相连，用于对单片机复位；步进电机驱动电路通过脉冲宽度调制引脚和单片机相连，接收单片机发出的脉冲信息；步进电机细分电路和步进电机驱动电路相连，用于脉冲细分；键盘电路通过接口电路连接到单片机，用于输入指令；显示电路通过接口电路连接到单片机，用于显示键盘电路输入的指令和当前时栅位移传感器检测到的角度值；所述时栅角度位移传感器机械部分包括定子绕组、动测头和定测头，所述动测头包括动测头骨架和缠绕在动测头骨架上的动测头感应线圈，所述定测头包括定测头骨架与缠绕在定测头骨架上的定测头感应线圈，所述定测头与定子绕组位置相对固定，固定在所述机械转台的静止部分，所述动测头和所述机械转台的转动部分刚性联结，随机械转台的转动而转动；所述时栅角度位移传感器电源为所述定子绕组提供三相交流电源，并产生交流旋转磁场，所述动测头感应线圈的信号输出端和所述定测头感应线圈的信号输出端分别连接到所述时栅位移传感器电路的输入端；步进电机根据通过所述步进电机数控系统发出的转向和转动角度信息，带动所述机械转台发生转动到指定角度，当产生角度位移时，动、定测头上的感应线圈在定子绕组产生的旋转磁场中感应出两路频率相同但初相位不同的信号，定测头感应线圈的信号的初相位不发生变化，动测头感应线圈的信号的初相位随转台的转动而变化；传感器电路将两路信号的相位差转换成角度位移量，并通过串口电路输入所述数控系统作为角度反馈信息，形成闭环控制，控制转台按照指定转向精确定位至指定角度。
2、 根据权利 要求l所述的时栅式数控分度转台，其特征在于所述时栅角度位移传感器 电源采用三相调频电源，先将交流电转换成直流电，然后通过移相电路输出三相交流电， 电源的频率可以调整，三相交流电每两相之间的相位差可以精确控制。
3、 根据权利要求l所述的时栅式数控分度转台，其特征在于所述转台能够转动的最小 角度由数控系统细分电路的细分倍数、步进电机的步距角和机械转台蜗轮副的传动比决 定，可以达到小于百分之一角秒的角度。
4、 根据权利要求l所述的时栅式数控分度转台，其特征在于键盘电路用于输入包含 分度转台的转向和转动角度信息指令、控制所述数控系统的开关；显示电路用于显示所 述信息指令、时栅角度位移传感器的实时角度值、步进电机的当前工作状况。
5、 根据权利要求l所述的时栅式数控分度转台，其特征在于所述时栅角度位移传感 器电路部分包括两个滤波电路，两个放大电路、 一个高频时钟和一个比相电路，两个滤 波电路的两个输入端分别与时栅角度位移传感器的动测头信号和定测头信号相连，信号 经滤波后，由放大电路进行放大，然后由比相电路对两路信号的相位进行比较，相位差 等于角位移量，比相电路输出的角度信号通过串口电路输入数控系统单片机。
全文摘要
本发明涉及一种用于精密计量的时栅式数控分度转台，包括基于单片机的数控系统、步进电机、精密机械转台、时栅角度位移传感器。在精密计量过程中，当分度转台需要精确定位，按照一定转向转动至某一特定角度时，通过数控系统的键盘输入包含转向和转动角度信息指令，使机械转台按照指令中的转向和角度转动。时栅角度位移传感器检测机械转台转过的角度信息，反馈给数控系统，从而形成闭环控制，保证转台能够精确定位至指令中指示的角度，定位精度主要取决于时栅角度位移传感器的精度。由于采用了新型时栅角度位移传感器和基于步进电机的数控系统，大大降低了用于计量的精密数控分度转台的成本。
文档编号G05B19/401GK101498924SQ200910103280
公开日2009年8月5日 申请日期2009年2月27日 优先权日2009年2月27日
发明者万文略, 刘小康, 张兴红, 彭东林, 伟 杨, 王先全, 陈锡侯 申请人:重庆工学院