[go: up one dir, main page]

RU2730398C1 - Method of measuring linearity of speed and controlling its non-uniformity - Google Patents

Method of measuring linearity of speed and controlling its non-uniformity Download PDF

Info

Publication number
RU2730398C1
RU2730398C1 RU2019143712A RU2019143712A RU2730398C1 RU 2730398 C1 RU2730398 C1 RU 2730398C1 RU 2019143712 A RU2019143712 A RU 2019143712A RU 2019143712 A RU2019143712 A RU 2019143712A RU 2730398 C1 RU2730398 C1 RU 2730398C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
speed
values
instantaneous
velocity
uniformity
Prior art date
Application number
RU2019143712A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Владимирович Кирсанов
Олег Сергеевич Большаков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН)
Priority to RU2019143712A priority Critical patent/RU2730398C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2730398C1 publication Critical patent/RU2730398C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used for accurate measurement of small linear velocities of object displacement, as well as for evaluation of speed deviation from preset value. Proposed method of linear velocity measurement and control of its non-uniformity involves three stages: 1) setting the required constant speed of the object along the straight line, measuring the coordinates of the object at equal time intervals specified by the microcontroller, calculating values of instantaneous speed Vfor each specified time interval, averaging obtained values of instantaneous speeds V, using method of sliding window, wherein the value of the window is selected experimentally, obtaining the averaged values of the instantaneous velocities V(t) and using these values V(t), calculating the velocity deviation on the required sections of the object movement path to estimate the non-uniformity of the measured linear velocity; 2) by means of Fourier transformation obtaining frequency spectrum of changes of instantaneous speed Vand analyzing it, then possible elimination of sources and causes of occurrence of non-uniformity of measured linear velocity; 3) repeating the actions performed at the first step, and additionally comparing the newly calculated speed deviation value with the previous one, if necessary repeating the second and third stages.EFFECT: disclosed method enables to measure the object linear velocity and determine the degree of its non-uniformity.1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для точного измерения малых линейных скоростей перемещения объектов, а также для оценки отклонения скорости от заданного значения.The invention relates to the field of measuring technology and can be used for accurate measurement of small linear velocities of movement of objects, as well as for assessing the deviation of the speed from a given value.

В различных технологических процессах и установках иногда необходимо осуществлять перемещение объектов с заданной малой постоянной линейной скоростью. Для выполнения этой задачи необходимо контролировать степень отклонения текущей скорости от заданной постоянной и по возможности устранять причины этих отклонений.In various technological processes and installations, it is sometimes necessary to move objects at a given low constant linear speed. To accomplish this task, it is necessary to control the degree of deviation of the current speed from the given constant and, if possible, eliminate the causes of these deviations.

В частности, способ может быть использован для контроля равномерности перемещения водорастворимых элементов при нанесении покрытий и создания тонких пленок путем равномерного погружения (извлечения) этих элементов в раствор с постоянной малой линейной скоростью.In particular, the method can be used to control the uniformity of movement of water-soluble elements during coating and to create thin films by uniformly immersing (extracting) these elements into a solution at a constant low linear velocity.

По авторскому свидетельству SU 36680, МПК G01P 3/38, известен способ контроля равномерности движения. На образец наносят метки через строго одинаковые расстояния. При этом на контролируемом объекте при его перемещении наносят ряд меток через строго одинаковые промежутки времени. Затем сравнивают положения меток на объекте и образце и делают вывод о равномерности перемещения контролируемого объекта.According to the inventor's certificate SU 36680, IPC G01P 3/38, a method for controlling the uniformity of movement is known. The sample is marked at exactly the same distance. In this case, a number of marks are applied at the controlled object during its movement at strictly equal intervals of time. Then the positions of the marks on the object and on the sample are compared and a conclusion is made about the uniformity of movement of the controlled object.

Также известен способ автоматического контроля и регулирования малых скоростей, использующий эффекты Месбауэра и Доплера (SU 159336, МПК G01P 5/10). В этом способе измеряют расстройку от резонанса, появляющуюся при доплеровском смещении линий в результате перемещения источника излучения относительно поглотителя. Способ позволяет бесконтактно и непрерывно измерять весьма малые скорости, вплоть до долей микрона в секунду.Also known is a method for automatic control and regulation of low speeds, using the effects of Mesbauer and Doppler (SU 159336, IPC G01P 5/10). This method measures the detuning from the resonance, which appears during the Doppler shift of the lines as a result of the movement of the radiation source relative to the absorber. The method allows non-contact and continuous measurement of very low speeds, down to fractions of a micron per second.

Известен способ измерения скорости движения объекта (SU 1739297, G01P 3/64, публ. 07.06.1992 г.), в котором измеряют линейную скорость объекта при перемещении его по заданной траектории. Вдоль всей траектории перемещения объекта устанавливают датчики. Затем определяют значение скорости в месте установки датчика, измеряя время взаимодействия объекта и датчика. Параллельно фиксируют время прохождения объектом всей траектории перемещения.A known method for measuring the speed of an object (SU 1739297, G01P 3/64, publ. 07.06.1992), in which the linear speed of the object is measured when it moves along a given trajectory. Sensors are installed along the entire trajectory of the object. Then the speed value is determined at the sensor installation site by measuring the interaction time between the object and the sensor. In parallel, the time for the object to pass the entire trajectory of movement is recorded.

Недостатком всех вышеперечисленных способов измерения линейной скорости является невозможность определить степень неравномерности скорости движения объекта. Кроме того, невозможно определить источники, причины этих неравномерностей, и, соответственно, устранить их.The disadvantage of all of the above methods of measuring the linear speed is the impossibility of determining the degree of unevenness of the speed of the object. In addition, it is impossible to determine the sources, causes of these irregularities, and, accordingly, eliminate them.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа измерения малой линейной скорости, позволяющего также определить степень неравномерности скорости движения объекта путем анализа скорости его движения на всем пути, и выявить источники и причины этих неравномерностей, а затем на основе полученных данных максимально приблизить скорость объекта к требуемой (постоянной) величине.The problem to be solved by the present invention is to develop a method for measuring low linear speed, which also makes it possible to determine the degree of unevenness of the speed of an object by analyzing the speed of its movement along the entire path, and to identify the sources and causes of these irregularities, and then, based on the data obtained, to approximate the speed of the object to the required (constant) value.

Поставленная задача достигается тем, что разработанный способ включает в себя следующие этапы: первый этап, на котором задают требуемую постоянную скорость перемещения объекта вдоль прямой и измеряют координаты объекта через равные промежутки времени, задаваемые микроконтроллером. Далее вычисляют значения мгновенной скорости Vi за каждый заданный промежуток времени и затем усредняют полученные значения мгновенных скоростей Vi, используя метод скользящего окна, причем величину окна w выбирают экспериментально. Получают усредненные значения мгновенных скоростей Vi(t), после чего, используя эти значения Vi(t), вычисляют девиацию скорости на требуемых участках пути движения объекта для первичной оценки неравномерности измеряемой линейной скорости. На втором этапе обрабатывают изначально полученные данные (значения мгновенной скорости Vi) с помощью преобразования Фурье, в итоге получают спектр частот изменений мгновенной скорости Vi. После чего анализируют полученный спектр и делают вывод о причинах возникающих неоднородностей скорости и по возможности устраняют источники возникновения обнаруженных неравномерностей, стремясь максимально приблизить скорость объекта к требуемой (постоянной) величине. На третьем этапе повторяют действия, выполняемые на первом этапе, и дополнительно сравнивают вновь вычисленное значение девиации скорости с предыдущим, оценивают эффективность выполненной корректировки. При необходимости повторяют второй и третий этапы.The task is achieved by the fact that the developed method includes the following stages: the first stage, at which the required constant speed of movement of the object along a straight line is set and the coordinates of the object are measured at regular intervals, specified by the microcontroller. Next, the values of the instantaneous velocity V i are calculated for each given period of time, and then the obtained values of the instantaneous velocities V i are averaged using the sliding window method, and the value of the window w is chosen experimentally. Averaged values of instantaneous velocities V i (t) are obtained, after which, using these values V i (t), the velocity deviation is calculated on the required sections of the object's movement path for a primary assessment of the unevenness of the measured linear velocity. At the second stage, the initially obtained data (values of the instantaneous velocity V i ) are processed using the Fourier transform, as a result, a spectrum of frequencies of changes in the instantaneous velocity V i is obtained. After that, the obtained spectrum is analyzed and a conclusion is made about the causes of the arising velocity inhomogeneities and, if possible, the sources of occurrence of the detected irregularities are eliminated, trying to bring the object's speed as close as possible to the required (constant) value. At the third stage, the actions performed at the first stage are repeated, and in addition the newly calculated value of the velocity deviation is compared with the previous one, the effectiveness of the performed correction is estimated. Repeat the second and third steps if necessary.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими фигурами.The invention is illustrated by the following figures.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства для линейного перемещения объекта с малой линейной скоростью.FIG. 1 shows a general view of a device for linear movement of an object with a low linear speed.

На фиг. 2 представлены графики зависимости полученных значений мгновенной скорости от времени: а) - без усреднения, б) - с усреднением по 500 точкам, в) -начальный участок движения (укрупнено), г) - конечный участок движения (укрупнено).FIG. 2 shows the graphs of the dependence of the obtained values of the instantaneous speed on time: a) - without averaging, b) - with averaging over 500 points, c) - the initial section of movement (enlarged), d) - the final section of motion (enlarged).

На фиг. 3 представлен спектр скорости: а) - отрезок для частот от 0 до 300 Гц, б) -отрезок для частот от 0 до 4,5 Гц.FIG. 3 shows the speed spectrum: a) - a segment for frequencies from 0 to 300 Hz, b) - a segment for frequencies from 0 to 4.5 Hz.

На фиг. 4 представлены спектры скоростей для трех разных систем линейного перемещения.FIG. 4 shows the speed spectra for three different linear motion systems.

Для реализации заявленного способа (см. фиг. 1) изначально задают требуемую постоянную скорость перемещения платформы 1 (объекта), в примере конкретной реализации эта скорость составляла 1,65 мм/с. В конструкцию устройства для линейного перемещения платформы 1 входят рельсы 2 с каретками 3, привод перемещения 4, шаговый двигатель (ШД) 5 с планетарным редуктором (на фигуре не показан). Для измерения координат платформы 1, которое осуществлялось через равные промежутки времени, применялась оптическая линейка 6 серии DC-11 соответствующей длины. У данной серии линеек 6 дискретизация координаты (разрешение) составляет 1 микрон. Для анализа данных с оптической линейки 6 был использован микроконтроллер «Speedometer» с соответствующим программным обеспечением. В микроконтроллере «Speedometer» собственный кварцевый генератор частоты формирует свое, независимое от компьютерных прерываний, время. Один раз в 500 микросекунд (2000 раз в секунду) микроконтроллер опрашивает и записывает в буфер значение координаты с оптической линейки 6. Далее осуществляют передачу данных по интерфейсу USB в компьютер, в котором программный блок «Speedometer» записывает время и координаты в файл формата csv для дальнейшего анализа. На основе полученных данных вычисляют значения мгновенной скорости Vi за каждый заданный промежуток времени, то есть получают 2000 значений мгновенной скорости в секунду. График зависимости полученных значений мгновенной скорости Vi от времени представлен на фиг. 2а.To implement the claimed method (see Fig. 1), the required constant speed of movement of the platform 1 (object) is initially set; in an example of a specific implementation, this speed was 1.65 mm / s. The structure of the device for linear movement of the platform 1 includes rails 2 with carriages 3, a movement drive 4, a stepping motor (SM) 5 with a planetary gearbox (not shown in the figure). To measure the coordinates of platform 1, which was carried out at regular intervals, an optical ruler 6 of the DC-11 series of the corresponding length was used. For this series of rulers 6, the coordinate sampling (resolution) is 1 micron. To analyze the data from optical line 6, a Speedometer microcontroller with the appropriate software was used. In the "Speedometer" microcontroller, its own crystal frequency generator generates its own time, independent of computer interruptions. Once every 500 microseconds (2000 times per second), the microcontroller polls and writes to the buffer the coordinate value from the optical ruler 6. Then, data is transferred via the USB interface to the computer, in which the "Speedometer" program unit records the time and coordinates into a csv file for further analysis. Based on the obtained data, the values of the instantaneous speed V i are calculated for each predetermined period of time, that is, 2000 values of the instantaneous speed per second are obtained. The graph of the dependence of the obtained values of the instantaneous speed V i on time is presented in Fig. 2a.

Так как дискретизация используемой оптической линейки 6 составляет ΔS=1 мкм, а измерения проводят с интервалом времени Δt=0,0005 с, то измеренные значения скорости Vi будут кратны величине

Figure 00000001
то есть ΔV=2 мм/с. Таким образом, мгновенные значения Vi за каждый заданный промежуток времени могут меняться с интервалом, кратным 2 мм/с. Чтобы получить реальную скорость перемещения объекта, необходимо провести усреднение. Поэтому далее проводят обработку полученных значений мгновенных скоростей Vi, используя метод скользящего окна. Величину окна w выбирают экспериментально. В конкретной реализации способа оптимальным оказалось значение w=500. Получают усредненные значения мгновенных скоростей Vi(t), на основе которых строят новый график зависимости этих значений от времени (см. фиг. 2б). Видно, что скорость имеет периодический характер, в котором выделяются как низкие частоты, так и высокие. Для оценки неравномерности измеряемой линейной скорости вычисляют ее девиацию, причем делают это на требуемых участках перемещения платформы 1.Since the sampling of the used optical ruler 6 is ΔS = 1 μm, and measurements are carried out with a time interval Δt = 0.0005 s, the measured values of the velocity V i will be multiples of the value
Figure 00000001
that is, ΔV = 2 mm / s. Thus, the instantaneous values of V i for each given period of time can change with an interval divisible by 2 mm / s. To get the real speed of movement of the object, it is necessary to carry out averaging. Therefore, further processing of the obtained values of the instantaneous velocities V i is carried out using the sliding window method. The window size w is chosen experimentally. In a specific implementation of the method, the value w = 500 turned out to be optimal. Averaged values of instantaneous velocities V i (t) are obtained, on the basis of which a new graph of the dependence of these values on time is constructed (see Fig. 2b). It can be seen that the speed is of a periodic nature, in which both low and high frequencies are distinguished. To assess the unevenness of the measured linear speed, its deviation is calculated, and this is done at the required sites of movement of the platform 1.

DeV=(Vmax - Vmin) / Усредн,DeV = (V max - V min ) / U average ,

где Dev - девиации скорости на оцениваемом участке перемещения,where Dev is the speed deviation at the estimated movement section,

Vmax - максимальная скорость на оцениваемом участке перемещения,V max - maximum speed on the estimated area of movement,

Vmin - минимальная скорость на оцениваемом участке перемещения,V min is the minimum speed in the estimated area of movement,

Vсредн - вычисленная средняя скорость на оцениваемом участке перемещения.V average - the calculated average speed in the estimated travel section.

В конкретном случае реализации способа, учитывая конструкцию устройства перемещения, в основе которого лежит система вал - гайка, контроль неравномерности (вычисление девиации) необходим как минимум на начальном I и конечном II участках пути движения платформы 1 (см. фиг. 2в и фиг. 2г). Для нормальной работы механической системы, обеспечивающей перемещение платформы 1 (фиг. 1), необходим свободный ход, но в то же время из-за этого в системе неизбежно присутствуют источники вибраций. Период девиации скорости совпадает с частотой вращения ходового вала. Так как интенсивность вибрации увеличивается от начальной точки перемещения платформы 1 к конечной (см. фиг. 2б-г), то и девиация скорости, как показатель неравномерности, будет отличаться на начальном I и конечном II участках. Величина девиации скорости вначале составила 6%, и она нарастает к концу перемещения до 7,4%. Это происходит из-за того, что в системе перемещения существует ряд «тонких мест», таких как соединения валов двигателя 5, редуктора и ходового вала, которые имеют между собой угловые и/или радиальные несоосности. Например, соединение шагового двигателя 5 и понижающего планетарного редуктора осуществляют жестко с помощью продольно разрезанной втулки. Данное соединение зажимают одним винтом, соответственно, все сочленение уведено в сторону на величину упругости элементов (валов, корпусных элементов, подшипников). Соответственно, в данном соединении сила упругости системы в определенных углах дает сопротивление вращению, в других углах она ускоряет вращение.In the specific case of the implementation of the method, taking into account the design of the movement device, which is based on the shaft-nut system, the control of unevenness (calculation of deviation) is necessary at least in the initial I and final II sections of the path of movement of the platform 1 (see Fig.2c and Fig.2d ). For normal operation of the mechanical system, which ensures the movement of the platform 1 (Fig. 1), free play is required, but at the same time, because of this, vibration sources are inevitably present in the system. The period of the speed deviation coincides with the rotational speed of the travel shaft. Since the vibration intensity increases from the initial point of the platform 1 movement to the final one (see Figs. 2b-d), then the velocity deviation, as an indicator of unevenness, will differ in the initial I and final II sections. The value of the velocity deviation was 6% at the beginning, and it increases by the end of the movement to 7.4%. This is due to the fact that there are a number of "thin places" in the movement system, such as the connections of the shafts of the motor 5, the gearbox and the travel shaft, which have angular and / or radial misalignments between them. For example, the connection of the stepper motor 5 and the planetary reduction gear is carried out rigidly by means of a longitudinally cut sleeve. This connection is clamped with one screw, respectively, the entire joint is pulled to the side by the amount of elasticity of the elements (shafts, housing elements, bearings). Accordingly, in this connection, the elastic force of the system in certain angles gives resistance to rotation, in other angles it accelerates rotation.

На фиг. 2 в-г видны усредненные значения мгновенной скорости Vi(t), состоящей из медленно меняющейся средней скорости движения платформы 1 и быстрой виброскорости, накладывающейся на среднюю. Для большинства потребителей величина малых отклонений скорости неважна в их задачах по перемещению объекта. Однако в некоторых случаях (в системах прецизионного позиционирования в станках алмазного микрофрезерования, в установках по нанесению покрытий на водорастворимые элементы и др.) предъявляются повышенные требования к плавности и равномерности хода устройств перемещения в технологических процессах, характеризующихся сравнительно малыми скоростями около 1,5-2 мм в секунду.FIG. 2c-d shows the averaged values of the instantaneous speed V i (t), consisting of a slowly changing average speed of the platform 1 and a fast vibration speed superimposed on the average. For most consumers, the magnitude of small speed deviations is unimportant in their tasks of moving the object. However, in some cases (in precision positioning systems in diamond micromilling machines, in installations for applying coatings on water-soluble elements, etc.), increased requirements are imposed on the smoothness and uniformity of movement of movement devices in technological processes characterized by relatively low speeds of about 1.5-2 mm per second.

Если значение вычисленной девиации оказывается неудовлетворительным (слишком большим) для задач прецизионного перемещения объекта, то выявляют источники и причины возникновения «повышенной» неравномерности измеренной линейной скорости. С помощью преобразования Фурье получают спектр частот изменений мгновенной скорости Vi и анализируют полученный спектр (см. фиг. 3а и фиг. 3б). Если рассматривать процесс с частотно-временной точки зрения, значения мгновенной скорости Vi, взятые через время 500 мкс, согласно теореме Котельникова позволяют получить и проанализировать ее спектр с верхним пределом частоты в 1 кГц. Для данной задачи такое значение верхнего предела вполне достаточно, так как все механические резонансы находятся в области частот меньше 200 Гц. С нижней границей частоты таких ограничений нет.If the value of the calculated deviation turns out to be unsatisfactory (too large) for the tasks of precision movement of the object, then the sources and causes of the "increased" unevenness of the measured linear velocity are identified. Using the Fourier transform, a spectrum of frequencies of changes in the instantaneous velocity V i is obtained and the resulting spectrum is analyzed (see Fig. 3a and Fig. 3b). If we consider the process from the time-frequency point of view, the values of the instantaneous velocity V i taken after a time of 500 μs, according to the Kotelnikov theorem, allow us to obtain and analyze its spectrum with an upper frequency limit of 1 kHz. For this task, this value of the upper limit is quite sufficient, since all mechanical resonances are in the frequency range less than 200 Hz. With the lower frequency limit, there are no such restrictions.

Вибрация может быть вызвана как внешними по отношению к устройству перемещения источниками, так и внутренними, каждый из которых в полученном спектре представлен соответствующими компонентами. Вибрация представляет собой в общем случае гармонические колебания какой-то механической системы. Внутренними источниками вибрации являются активные в смысле механики элементы установки -двигатели, подшипники, каретки перемещения. Направление максимального вибросмещения зависит от многих факторов. В представленном случае анализируют данные с одной координаты перемещения, то есть рассматривают проекции вибросмещения или виброскорости на одну выделенную координату.Vibration can be caused both by sources external to the displacement device, and internal, each of which is represented by the corresponding components in the obtained spectrum. Vibration is generally the harmonic vibration of a mechanical system. Internal sources of vibration are mechanically active elements of the installation - motors, bearings, carriages of movement. The direction of maximum vibration displacement depends on many factors. In the presented case, the data is analyzed from one coordinate of movement, that is, the projections of vibration displacement or vibration velocity to one selected coordinate are considered.

Система привода перемещения 4 типа вал-гайка имеет неоднородность скорости, вызванную несоосностью соединенных деталей (валов двигателя 5, редуктора и ходового вала), и такие малые отклонения скорости неизменно повторяются на всем промежутке движения. Поэтому в спектре скорости будет компонента с частотой, равной частоте вращения этих соединений. Соответственно, в спектре скорости устройства перемещения будут представлены компоненты, соответствующие как свойствам (дефектам) самой системы, так и влиянию внешних источников вибрации (ее проекции на ось перемещения).The drive system 4 of the shaft-nut type has a non-uniformity of speed caused by misalignment of the connected parts (shafts of the motor 5, gearbox and travel shaft), and such small speed deviations are invariably repeated throughout the entire period of motion. Therefore, the speed spectrum will contain a component with a frequency equal to the rotation frequency of these compounds. Accordingly, the speed spectrum of the displacement device will contain components corresponding to both the properties (defects) of the system itself and the influence of external sources of vibration (its projection onto the displacement axis).

На фиг. 3а представлен спектр скорости на частотах до 300 Гц, на котором присутствуют компоненты со средними частотами 0,413 Гц, 4,13 Гц, 82,5 Гц, 165 Гц, 247,5 Гц.FIG. 3a shows the spectrum of the speed at frequencies up to 300 Hz, which contains components with average frequencies of 0.413 Hz, 4.13 Hz, 82.5 Hz, 165 Hz, 247.5 Hz.

Анализ более высокочастотной части спектра скорости позволяет определить источники вибрации системы. В представленном случае «гудят» опорные узлы -каретки. Для данного типа кареток в спектре присутствует множество компонент, которые группируются вокруг частот fn=n⋅A⋅V,Analysis of the higher frequency portion of the speed spectrum can identify sources of vibration in the system. In the presented case, the support nodes of the carriage "hum". For this type of carriages, the spectrum contains many components that are grouped around frequencies f n = n⋅A⋅V,

где n - целое число: 1,2,3…,where n is an integer: 1,2,3 ...,

А=50, - коэффициент, характерный для данного типа опор HIWIN, [1/мм],А = 50, - coefficient typical for this type of HIWIN supports, [1 / mm],

V - скорость каретки, [мм/с].V - carriage speed, [mm / s].

Таким образом, f1=82,5 Гц, f2=165 Гц, f3=247,5 Гц для случая V=1,65 мм/с.Thus, f 1 = 82.5 Hz, f 2 = 165 Hz, f 3 = 247.5 Hz for the case V = 1.65 mm / s.

На фиг. 3б отдельно показан участок наиболее низкочастотной области спектра от 0 до 4,5 Гц, на котором присутствуют компоненты со средними частотами 0,413 Гц (частота вращения приводного вала) и 4,13 Гц (частота вращения вала ШД5 перед понижающим планетарным редуктором (1:10)).FIG. 3b separately shows a section of the lowest frequency region of the spectrum from 0 to 4.5 Hz, which contains components with average frequencies of 0.413 Hz (drive shaft rotation frequency) and 4.13 Hz (ШД5 shaft rotation frequency in front of the planetary reduction gear (1:10) ).

Для измерения линейной скорости по предложенному способу последовательно рассматривались и сравнивались три устройства линейного перемещения с разными типами механической системы, обеспечивающей движение.To measure the linear velocity according to the proposed method, three linear displacement devices with different types of mechanical system providing movement were sequentially considered and compared.

В первом случае система устроена следующим образом: на опорной поверхности размещены рельсы 2 с каретками 3 (производства HIWIN), привод перемещения 4 представляет собой стальной вал с капролоновой гайкой, соединенный с шаговым двигателем 5 типа FL57 (NEMA 23 или ISM-7402E) через разрезную втулку. Измеренная девиация скорости в данной системе составила 6÷7,4%, при этом скорость перемещения составляла 1,65 мм/с.In the first case, the system is arranged as follows: rails 2 with carriages 3 (manufactured by HIWIN) are placed on the supporting surface, the displacement drive 4 is a steel shaft with a caprolon nut, connected to a stepper motor 5 of the FL57 type (NEMA 23 or ISM-7402E) through a split sleeve. The measured deviation of the speed in this system was 6 ÷ 7.4%, while the speed of movement was 1.65 mm / s.

Во втором случае реализации механической системы, обеспечивающей движение, привод перемещения 4 был выполнен на основе вала с шарико-винтовой передачей (ШВП), который присоединялся к двигателю через понижающий редуктор (1:10). Такое решение позволило понизить девиацию скорости перемещения до 3÷4%.In the second case of the implementation of a mechanical system that provides movement, the displacement drive 4 was made on the basis of a shaft with a ball screw (ball screw), which was connected to the engine through a reduction gear (1:10). This solution made it possible to reduce the deviation of the displacement speed to 3 ÷ 4%.

В третьем случае в системе использован линейный шаговый двигатель 5 (ЛШД), что позволило получить девиацию скорости в основном менее 0,5%. Во втором и третьем случаях скорость перемещения составляла 1,6 мм/с.In the third case, the system uses a linear stepper motor 5 (LSM), which made it possible to obtain a speed deviation of generally less than 0.5%. In the second and third cases, the travel speed was 1.6 mm / s.

На фиг. 4 представлены части спектра для трех вышеописанных механических систем с разными приводами перемещения, но использующих одинаковые направляющие HIWIN и осуществляющих перемещение платформы 1 с вышеуказанными скоростями: а) для системы вал с капролоновой гайкой, б) для системы вал - ШВП, в) для системы с линейным двигателем.FIG. 4 shows parts of the spectrum for the three above-described mechanical systems with different displacement drives, but using the same HIWIN guides and moving the platform 1 at the above speeds: a) for the shaft system with a caprolon nut, b) for the shaft-ball screw system, c) for the system with linear motor.

Величина девиации однозначно связана с количеством компонент в спектре, сосредоточенных около частот fn. Так как величина девиации для первого вида механической системы составила 6÷7,4%, то на фиг. 4 а видно множество компонент, сосредоточенных вокруг частот 82,5 Гц и 165 Гц.The magnitude of the deviation is uniquely related to the number of components in the spectrum, concentrated around the frequencies f n . Since the deviation value for the first type of mechanical system was 6–7.4%, then in Fig. 4a shows many components concentrated around frequencies of 82.5 Hz and 165 Hz.

Для системы с ШВП девиация скорости составила 3÷4%, что почти в два раза меньше, чем для первой системы. Поэтому и количество спектральных компонент вокруг частот 80 Гц и 160 Гц значительно меньше (фиг 4.б). Также на спектре появляется компонента на fШВП=64 Гц. Эта компонента появляется из-за вибрации, вносимой шарико-винтовой передачей (ШВП), поэтому ее нет на спектрах других систем. fШВП=0,8⋅A⋅V,For the system with ball screws, the velocity deviation was 3–4%, which is almost two times less than for the first system. Therefore, the number of spectral components around frequencies of 80 Hz and 160 Hz is much less (Fig. 4.b). Also, a component appears on the spectrum at f ball screw = 64 Hz. This component appears due to vibration introduced by the ball screw (ball screw), so it is not on the spectra of other systems. f ball screw = 0.8⋅A⋅V,

где А=50 [1/мм], V=1,6 [мм/с].where A = 50 [1 / mm], V = 1.6 [mm / s].

То, что она узкая говорит о том, что входное движение (вращение) на нее приходит с минимальными отклонениями в системе ШД - гибкая муфта, а в девиацию скорости основной вклад вносит система ШВП (вал с резьбой и гайка с шариками на валу).The fact that it is narrow indicates that the input movement (rotation) comes to it with minimal deviations in the SM system - a flexible coupling, and the ball screw system (a threaded shaft and a nut with balls on the shaft) makes the main contribution to the speed deviation.

На фиг. 4 в показан спектр для системы Direct drive, и видны те же компоненты спектра на частотах 80 Гц и 160 Гц, но они очень «узкие» по сравнению с компонентами на предыдущих спектрах, поскольку девиация для третьей системы составила менее 0,5%.FIG. 4c shows the spectrum for the Direct drive system, and the same spectrum components are visible at 80 Hz and 160 Hz, but they are very “narrow” compared to the components in the previous spectra, since the deviation for the third system was less than 0.5%.

Таким образом, разработанный способ позволяет получить данные, на основе которых можно сделать вывод, что из рассмотренных трех систем лучшими характеристиками обладает система, использующая привод типа линейного шагового двигателя (ЛШД или direct drive).Thus, the developed method makes it possible to obtain data, on the basis of which it can be concluded that, of the three systems considered, the best characteristics are possessed by a system using a linear stepper motor drive (LSD or direct drive).

Кроме того, возможно применение разработанного способа измерения линейной скорости и контроля ее неравномерности для выявления источника / причины неравномерности скорости перемещения (износ, дефект деталей, неточность соединения деталей) внутри одного устройства. Для этого выполняют действия, описанные в разработанном способе, то есть вычисляют девиацию и анализируют спектр, после чего принимают решение о необходимости разборки системы и проведения дефектовки деталей или компенсации неточности соединения деталей.In addition, it is possible to use the developed method for measuring the linear speed and monitoring its irregularity to identify the source / cause of the irregularity of the travel speed (wear, parts defect, inaccurate parts joining) within one device. For this, the actions described in the developed method are performed, that is, the deviation is calculated and the spectrum is analyzed, after which a decision is made on the need to disassemble the system and carry out defect identification of parts or compensation for inaccuracies in the connection of parts.

Например, в устройстве линейного перемещения (по фиг. 1) было выявлено, что основной вклад в неравномерность движения вносит несоосность соединения при передаче вращения двигателя во вращение приводного вала. Для компенсации существующих угловых и/или радиальных несоосностей была применена упругая муфта с определенным, подбираемым углом наклона. Для этого в центральный разрез стандартной разрезной муфты добавляют регулируемый элемент.For example, in a linear displacement device (according to Fig. 1), it was found that the main contribution to the uneven motion is made by the misalignment of the connection when the rotation of the engine is transmitted to the rotation of the drive shaft. To compensate for existing angular and / or radial misalignments, an elastic coupling was used with a specific, selectable angle of inclination. For this, an adjustable element is added to the central section of a standard split coupling.

Таким образом, разработанный способ позволяет измерить линейную скорость объекта и определить степень ее неравномерности, а также позволяет выявить источники и причины неравномерности скорости, и на основе полученных данных максимально приблизить скорость объекта к требуемой (постоянной) величине.Thus, the developed method makes it possible to measure the linear velocity of an object and determine the degree of its unevenness, as well as to identify the sources and causes of velocity unevenness, and, based on the data obtained, bring the object's velocity as close as possible to the required (constant) value.

Claims (1)

Способ измерения линейной скорости и контроля ее неравномерности, включающий следующие этапы: на первом этапе задают требуемую постоянную скорость перемещения объекта вдоль прямой, измеряют координаты объекта через равные промежутки времени, задаваемые микроконтроллером, вычисляют значения мгновенной скорости Vi за каждый заданный промежуток времени, затем усредняют полученные значения мгновенных скоростей Vi, используя метод скользящего окна, причем величину окна выбирают экспериментально, получают усредненные значения мгновенных скоростей Vi(t), после чего, используя эти значения Vi(t), вычисляют девиацию скорости на требуемых участках пути движения объекта для оценки неравномерности измеряемой линейной скорости, на втором этапе с помощью преобразования Фурье получают спектр частот изменений мгновенной скорости Vi и анализируют его, затем по возможности устраняют источники и причины возникновения неравномерности измеренной линейной скорости, на третьем этапе повторяют действия, выполняемые на первом этапе, и дополнительно сравнивают вновь вычисленное значение девиации скорости с предыдущим, при необходимости повторяют второй и третий этапы.A method for measuring the linear velocity and controlling its unevenness, including the following steps: at the first stage, the required constant speed of the object moving along a straight line is set, the coordinates of the object are measured at regular intervals specified by the microcontroller, the values of the instantaneous speed V i are calculated for each given period of time, then averaged the obtained values of the instantaneous velocities V i , using the sliding window method, and the window size is chosen experimentally, the averaged values of the instantaneous velocities V i (t) are obtained, after which, using these values V i (t), the velocity deviation is calculated on the required sections of the object's path to assess the unevenness of the measured linear velocity, at the second stage, using the Fourier transform, a spectrum of frequencies of changes in the instantaneous velocity V i is obtained and analyzed, then, if possible, the sources and causes of the unevenness of the measured linear velocity are eliminated, at the third stage the actions are repeated i performed at the first stage, and additionally compare the newly calculated value of the velocity deviation with the previous one, if necessary repeat the second and third stages.
RU2019143712A 2019-12-25 2019-12-25 Method of measuring linearity of speed and controlling its non-uniformity RU2730398C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019143712A RU2730398C1 (en) 2019-12-25 2019-12-25 Method of measuring linearity of speed and controlling its non-uniformity

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019143712A RU2730398C1 (en) 2019-12-25 2019-12-25 Method of measuring linearity of speed and controlling its non-uniformity

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2730398C1 true RU2730398C1 (en) 2020-08-21

Family

ID=72237764

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019143712A RU2730398C1 (en) 2019-12-25 2019-12-25 Method of measuring linearity of speed and controlling its non-uniformity

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2730398C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118243654A (en) * 2024-05-27 2024-06-25 黑龙江飞鹤乳业有限公司 Powder mixing uniformity detection method

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU156007A1 (en) *
SU1075814A1 (en) * 1982-06-23 1985-08-23 Киевский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.50-Летия Великой Октябрьской Социалистической Революции Method of measuring linear velocity of object and fibre-optical meter of linear velocity
US8183854B2 (en) * 2008-11-07 2012-05-22 Calnetix Technologies, L.L.C. Measuring linear velocity
FR2976355B1 (en) * 2011-06-09 2013-06-21 Jean Luc Desbordes DEVICE FOR MEASURING SPEED AND POSITION OF A VEHICLE MOVING ALONG A GUIDE PATH, METHOD AND CORRESPONDING COMPUTER PROGRAM PRODUCT.
CN206411137U (en) * 2016-12-22 2017-08-15 安徽楚江科技新材料股份有限公司 A kind of speed measuring device for measuring unit linear velocity

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU156007A1 (en) *
SU1075814A1 (en) * 1982-06-23 1985-08-23 Киевский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.50-Летия Великой Октябрьской Социалистической Революции Method of measuring linear velocity of object and fibre-optical meter of linear velocity
US8183854B2 (en) * 2008-11-07 2012-05-22 Calnetix Technologies, L.L.C. Measuring linear velocity
FR2976355B1 (en) * 2011-06-09 2013-06-21 Jean Luc Desbordes DEVICE FOR MEASURING SPEED AND POSITION OF A VEHICLE MOVING ALONG A GUIDE PATH, METHOD AND CORRESPONDING COMPUTER PROGRAM PRODUCT.
CN206411137U (en) * 2016-12-22 2017-08-15 安徽楚江科技新材料股份有限公司 A kind of speed measuring device for measuring unit linear velocity

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118243654A (en) * 2024-05-27 2024-06-25 黑龙江飞鹤乳业有限公司 Powder mixing uniformity detection method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108020409B (en) A kind of 4 points of dynamic measurements of spindle rotation error and separation method
TWI534410B (en) Linear shape measurement method and linear shape measuring device
RU2730398C1 (en) Method of measuring linearity of speed and controlling its non-uniformity
CN104977112B (en) Precision bearing system dynamic torque measuring instrument
TWI609171B (en) Shape measuring device, processing device, and shape measuring device calibration method
CN105203068B (en) Deep hole linear degree detection method based on sonigauge
CN113340403A (en) Rotating shaft radial vibration measurement system and method based on circumferential stripes and linear array camera
Garinei et al. Design of an optical measurement system for dynamic testing of electrospindles
Piccato et al. A portable rotating disk prototype for LDA calibration
TWI481183B (en) Method and system for measuring motor parameter
Shafie et al. Static and dynamic measurements of machine tools
RU2151705C1 (en) Rail straightness checking device
CN204027499U (en) A kind of device of measurement clearance and elevator door clearance meter
CN207650113U (en) Steel Ball Surface Defect Detecting Instrument
Liu et al. A rotational speed measuring and calibration system based on Laser Doppler velocimetry
CN109458996B (en) Movable target instrument convenient to use
CN207650114U (en) Photoinduction type surface defects detection equipment
CN220039411U (en) High-precision displacement test platform
JP6127153B2 (en) Frequency characteristic measuring method and positioning control device
CN112326270A (en) Tire uniformity test load force control method and device
CN106680468B (en) A kind of analysis method that thickness of yarn is irregular and device
RU2269867C1 (en) Method for determining error of amplitude digital angle transformers of tracking type
RU2331043C1 (en) Method of contactless measurement of controlled surface profile in dynamic conditions
DE102015119781B4 (en) calibration
JP2021001885A (en) Test-and-measurement instrument and method of estimating unknown load

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20201126

Effective date: 20201126