CN103063417A - 弹簧性能自动测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种弹簧性能自动测试装置及提高测试精度的方法。被测弹簧为地震检波器中所用微压力弹簧片。该自动测试装置由机械结构、传动机构和检测与控制电路三部分组成。步进电机和线性导轨垂直安装，压力测量模块水平安装。装置中步进电机驱动直线导轨上的滑块做上下往复运动时，滑块推动圆形转盘旋转实现批量待测弹簧的自动放置，完成待测弹簧性能的自动测试。装置采用双闭环控制驱动滑块连接的压盘压缩弹簧至预设位置，压力测量模块实时检测当前弹力值，进而精确测量出弹簧在弹性范围内任意位置所受的弹力值及劲度系数。弹簧性能自动测试装置精度高，重复性好，能显著提高地震检波器的测量精度。

Description

弹簧性能自动测试装置
涉及领域
本发明涉及弹簧性能自动测试装置及提高测试精度的方法，尤其是需要高精度测量弹簧在弹性范围内任意位置所受的弹力值及劲度系数的场合，比如测试地震检波器中上下两片对称微压力弹簧的性能。
背景技术
石油勘探、地震测量中大量使用地震检波器。地震检波器中对称弹簧的性能是影响测量精度的主要因素。国内生产地震检波器的企业大都缺少必要的检测手段，往往采用经验法人工筛选，使精度无法保证，导致产品的一致性不好。或采用高精度测量天平，通过气动压紧的方式确定弹簧弹力的最大值。后一种方法由于零点定位问题及弹簧劲度系数的非线性，导致产品的误差较大且重复性不好。在现有的机械加工误差无法提高的基础上，采用好的检测手段是提高检波器精度的唯一方法。
发明内容
本发明针对上述问题，研制了一种弹簧性能自动测试装置，测试装置能对多批次弹簧的性能实现动态快速自动测量，可以测量出弹簧在弹性范围内的任意位置所受到的弹力值，并能根据弹力与位移的对应关系计算出任意位置的劲度系数。通过对弹簧劲度系数的非线性分析，找出最佳匹配点，然后对加工的弹簧进行后期分类，大大提高了地震检波器的测量精度。
本发明专利的设计思路及工作流程如下：测试装置主要由机械结构、传动机构和检测与控制电路三部分组成。机械结构设计的关键是直线导轨的滑块如何推动圆形转盘自动放置弹簧的问题。步进电机和线性导轨垂直安装，压盘水平安装。立架与各模块通过螺钉连接减少振动，保证压盘稳定地伸缩运动，避免机械传动时引入偏移误差。测试装置位移测量控制策略采用双闭环控制，内环为增量编码器检测角位移，用于消除步进电机失步带来的误差，外环为磁栅尺检测直线位移，用于消除导轨丝杠间隙及机械传动带来的误差。内环实现快速位置标定，外环对重复性误差进行校正。主控核心选用16位低功耗微控制器MSP430提高响应速度，通过Verilog HDL硬件描述语言编程实现四细分辨向计数电路功能，并将整个电路布线到FPGA芯片中。选择高精度24位模/数转换器提高压力采集电路的分辨率，并采用去极值平均滤波算法提高压力测量精度。测试装置测量的位移误差为±1μm，压力误差为±1mgf，精度等级0.5级。测试装置精度高，控制稳定性好，抗干扰能力强，操作简便。
附图说明
图1为装置控制原理图；
图2为检测与控制电路原理框图；
图3为测试装置结构图。
具体实施方式
如图1所示，检测仪位移测量控制策略采用双闭环控制，内环为增量编码器检测角位移，用于消除步进电机失步带来的误差，外环为磁栅检测直线位移，用于消除导轨丝杠间隙及机械传动带来的误差。内环实现快速位置标定，外环对重复性误差进行校正。
如图2所示，主控单元采用TI公司的16位低功耗微控制器MSP430，用于控制步进电机驱动器，步进电机为两相混合式步进电机。内环检测回路中的增量式编码器套紧在步进电机驱动轴上，经过四细分辨向计数电路将角位移所对应的4倍脉冲数据送入主控单元。外环检测回路中的磁栅尺经四细分辨向计数电路将4倍频的脉冲送入主控单元，确定导轨移动的直线位移。通过Verilog HDL硬件描述语言编程实现四细分辨向计数电路功能，并将整个电路布线到FPGA芯片中。利用FPGA中的同步D触发器的延时特性及一定的与逻辑来对A、B信号的边沿进行提取，以实现信号的四细分，再将四细分信号通过逻辑判断得到计数器所需的加减计数信号，计数器对加减计数信号的可逆计数完成四细分辨向计数电路功能。压力传感器经过24位模/数转换器将采样的压力数据送入控制核心，通过数字滤波实现弹力检测。主控单元通过MAX3232转换芯片将TTL逻辑电平转换为RS-232C逻辑电平，实现与上位机的串行通信。位置传感器选用光电开关用以限定导轨滑块的移动范围，避免导轨滑块堵死。
如图3所示，根据键盘(10)中多种模式按键确定工作模式。检测与控制电路(11)通过步进电机细分驱动器控制步进电机(2)，步进电机(2)带动直线导轨(3)中的滑块(5)做上下往复运动。滑块(5)推动挡块(17)使圆形转盘(12)旋转，拨尺(14)在圆形转盘(12)旋转过程中拨动待测弹簧(13)置于落孔中，完成待测弹簧(13)的自动放置。圆形转盘(12)、立柱(19)和转轴(20)固定为一体。压盘(6)压缩弹簧的过程中压力测量模块(7)实时检测弹力值，并在液晶显示模块(8)上显示。内环步进角位移由增量编码器(1)检测，外环步进直线位移由磁栅尺(4)检测，磁栅尺(4)、滑块(5)和压盘(6)通过螺栓固定为一体。光电限位开关(18)完成零点标定，光电限位开关(16)限定导轨滑块的下移范围，避免导轨滑块堵死。支架(15)、底座(9)和各模块通过螺栓连接避免振动，保证圆形转盘(12)自动旋转及压盘(6)稳定地伸缩运动完成批量待测弹簧性能的动态实时自动测试。

Claims (3)

1.弹簧性能自动测试装置，至少包括机械结构、传动机构和检测与控制电路三部分。其特征是：机械结构包括圆形转盘、转轴、齿轮、支架和底座；传动机构包括步进电机、步进电机细分驱动器和直线导轨；检测与控制电路包括检测角位移的编码器、检测直线位移的磁栅尺、检测弹力的压力测量模块、光电位置传感器、四细分辨向计数电路和主控单元。
2.根据权利要求1所述的弹簧性能自动测试装置，其特征是：装置中步进电机和线性导轨垂直安装，圆形转盘和压力测量模块水平安装。装置中步进电机驱动直线导轨上的滑块做上下往复运动时，滑块推动圆形转盘旋转实现批量待测弹簧的自动放置，完成待测弹簧性能的自动测试。装置采用双闭环控制驱动滑块连接的压盘压缩弹簧至预设位置，压力测量模块实时检测当前弹力值，进而精确测量出弹簧在弹性范围内任意位置所受的弹力值及劲度系数。
3.根据权利要求1、2所述的弹簧性能自动测试装置，其特征是：装置采用双闭环控制策略提高位移测试精度。内环选用增量编码器检测角位移实现快速位置标定，外环选用磁栅尺检测直线位移对重复性误差进行校正。压力测量模块选择24位模/数转换器提高采样信号分辨率，采用去极值平均滤波算法提高压力测量精度。
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