精密转台角分度误差补偿

为了修正精密转台中由圆光栅安装偏心、倾斜等引起的角分度误差,提出一种基于稀疏分解的角分度误差补偿方法。首先,分析了圆光栅安装偏心、倾斜等对精密转台角分度误差的影响。然后,根据圆光栅测角误差中不同阶次误差项的特性,结合稀疏分解思想与谐波分析建立了角分度误差补偿模型,对转台的角分度误差进行补偿。最后,搭建试验平台,采用提出的角分度误差补偿模型对精密转台角分度误差进行修正,验证该方法的有效性。试验结果表明:该方法能够将角分度精度提高2个数量级,对角分度误差最大值为90.85"的转台进行误差补偿后,能够使角定位误差的最大值减小到0.64"。采用该方法进行误差补偿后,能够显著提高角度定位精度,结果满足精密转台角位移的高精度测试要求。     

转台工作面角位置测量装置误差分析与补偿

针对特定转台轴端角位置检测误差不能反映实际产品工作面空间角位置的问题,介绍了一种以圆光栅和水平电容传感器作为测角元件的转台工作面空间角位置定位测量装置。以提高空间测角精度为目的,重点对装置各项误差因素进行归类分析。除光栅和传感器分别存在的分系统测角误差外,测量装置还存在转轴与测量基面不平行、传感器敏感轴与测量基面不平行等误差项。为修正测角系统误差,根据圆光栅旋转面、传感器敏感轴、转轴轴系、测量基面的空间几何关系建立数学模型,分析系统误差影响因素。最后利用分度误差在0.3″高精度转台对校准装置进行标定,并利用径向基函数(RBF)神经网络建立误差补偿模型,对系统测角精度进行修正,使系统最大误差值由13.75″下降至2.9″,满足了3″以内的测角精度需求。     

基于二维混合式位置编码的高精度测角

针对具有精密旋转轴系类的高端制造装备或精密测量仪器,其旋转角度采用传统圆光栅难以消除偏心误差对测量角度精度的影响,提出了一种基于二维混合式位置编码的旋转角度高精度测量方法。该测角系统由一个二维混合式位置编码盘、两个CCD相机和远心镜头组成,二维混合式位置编码盘被固定在精密旋转轴系上以获得其旋转角度。然后,建立了测角模型并从数学上证明了测角精度与安装偏心无关。利用多齿分度台对已提出测角系统精度进行检测,测量角度误差在±1″。最后,利用已提出测量方法对直驱转台的角度定位精度进行测量,角度定位误差在±5″内。与传统圆光栅测角相比,该方法不需要考虑安装偏心误差对测角精度的影响,具有稳定性好、使用简单等特点,可用于角度定位误差的检测。     

转台分度误差检测及补偿技术的研究

采用0.3″的精密多齿分度台与平面反射镜组合,对转台分度误差进行检测。针对多齿分度台安装倾斜对检测结果产生影响的问题,提出了利用双轴光电自准直仪Y轴读数补偿调整误差的方法。根据转台分度误差是由多次谐波叠加的特点,采用谐波分析的方法对测量得到的离散数据进行拟合处理,得到用于转台分度误差补偿的连续曲线模型。对分度误差为17.82″的转台进行实测和误差补偿,补偿后转台的最大分度误差为2″。     

新型圆光栅测角误差补偿方法及其应用

在实际工业应用中,环境温度变化是便携关节式坐标测量机中旋转轴系测角精度的主要误差源。为了消除环境温度对旋转轴系测角精度的影响,本文提出了一种新型圆光栅测角误差补偿方法,即建立含有环境温度影响因子的圆光栅测角误差补偿模型。利用谐波方法建立在特定温度下的圆光栅测角误差补偿模型,利用多项式方法建立谐波系数与环境温度之间的函数关系。最后,以14℃下的实验数据为验证数据,分别代入到传统谐波误差补偿模型和本文提出的模型中。实验结果表明,相对于传统谐波误差补偿模型,使用本文提出的模型补偿后圆光栅的测角精度提高4倍左右,修正后的残差峰峰值在2″以内,能够有效地补偿10～40℃下圆光栅的测角误差。     

基准圆光栅偏心检测及测角误差补偿

为了修正关节测试平台中由圆光栅安装偏心所产生的测量误差,建立了圆光栅偏心测角误差补偿模型并对安装偏心检测方法进行研究。首先,根据圆光栅测角与偏心参数间的几何关系,推导出圆光栅测量误差补偿模型。然后,描述了采用双读数头对比接收正弦信号间相位差,检测偏心参数的方法和原理;通过合成信号的李萨茹图形,检测出关节测试平台内圆光栅的偏心距及偏心方向。最后,根据所推导的偏心测角误差补偿公式对测试系统进行修正。对比实验结果表明:修正后的圆光栅测角精度大幅提高,测量精度提高了近5倍,满足关节测试平台的测量精度要求。     

自研角度计量转台在圆分度器件校准中的应用

为了实现亚角秒级圆分度器件的高精度校准,建立了基于角度计量转台和自准直仪的角度测量系统,研究了基于无实物基准的圆分度误差检测方法和控制测量系统引入误差的策略。简要介绍了基于真空预载气浮支承和超声马达驱动的自研转台的结构,搭建了整个测量系统。利用圆封闭原理和最小二乘原理分析了圆分度误差的测量算法,讨论了测量过程的误差来源,并分析了抑制各误差源的方法。最后,在构建的测量系统上测量了多齿分度台的圆分度误差,并对测量不确定度进行了分析。实验结果表明：自研计量转台和被校多齿分度台的最大圆分度误差分别为0.12″和0.15″,测量不确定度为0.05″（k=2）。通过比对,表明测量系统能够实现亚角秒级圆分度误差的高精度校准。     

圆光栅测角误差实时补偿方法研究

误差补偿是提高圆光栅测角精度的常用手段。一些机床和精密仪器由于没有位置测量元件误差补偿功能,无法进行圆光栅的误差在线补偿。针对这一问题,提出了一种中继式的圆光栅测角误差实时补偿方法。首先,分析了圆光栅测角误差的补偿原理,建立了谐波拟合函数和圆光栅测角误差补偿模型;然后,进行了误差补偿模块的硬件选型,设计了以差分芯片为核心的信号转换电路,包括差分信号转单端信号电路和单端信号转差分信号电路,开发了误差补偿模块的嵌入式软件,将所设计的误差补偿模块插入到圆光栅的信号输出通道,建立了基于中继式误差补偿模块的试验系统;最后,采用雷尼绍校准装置采集了圆光栅的原始误差数据,使用谐波函数对测角误差数据进行了拟合,应用误差补偿模型,利用误差补偿硬件模块,对圆光栅测角误差进行了在线补偿试验。研究结果表明：对测角误差最大值为134.59″的圆光栅进行补偿后,其误差最大值可减小到12.62″,可见采用误差实时补偿方法可以显著提高圆光栅测角精度。     

双读数头圆光栅偏心参数标定修正算法

圆光栅安装偏心误差是影响圆光栅角度测量精度的关键因素,偏心误差补偿是提高角度测量精度的重要方法。为准确辨识和补偿圆光栅安装偏心误差参数,在建立的圆光栅偏心误差模型基础上提出了一种双读数头平均误差补偿方法,对读数误差进行修正,并对测量与修正模型进行仿真实验。使用正23面棱体与光电自准直仪搭建实验装置,对所提方法的测量补偿效果进行验证。实验结果表明:采用所提出的补偿修正方法能够有效补偿圆光栅读数头读数偏差,圆光栅的测角精度达到1″以内。     

精确测绘单一斜齿圆柱齿轮

介绍了精确测绘单一斜齿圆柱齿轮齿形参数的简便方法,即测量公法线长度计算基圆齿距从而查表确定模数和压力角;测量齿顶圆直径估算分度圆螺旋角,用分度头在铣床上修正分度圆螺旋角,并进行误差分析。该方法避免了与加工无关参数的反复测算,测绘的精度能满足修配使用的要求。     

激光跟踪仪测角误差补偿

由于激光跟踪仪的角度测量精度直接影响仪器的测量精度,本文提出了用自准直仪结合多面棱体对跟踪仪金属圆光栅测角误差进行离散标定的方法。研究了基于谐波分析的误差补偿方法,取金属柱面圆光栅测角误差中幅值较大且相位基本不变的谐波分量建立了补偿模型,避免了最小二乘法不收敛的问题。分析了标定测角误差的不确定度,结果显示：水平测角精度补偿前后分别为1.60"和0.90",俯仰测角精度补偿前后分别为4.89"和0.91",精度分别提高了44%和81%,从角秒级提高到了亚角秒级。结果表明,提出的方法可为激光跟踪仪水平和俯仰轴系提供测角误差补偿,对类似测角系统的误差补偿也有参考价值。     

基于傅里叶变换的转台分度误差分离与补偿方法

为了保证和提高转台测角系统的现场测量精度,本文针对基于傅里叶变换的转台分度误差分离与补偿方法开展研究。在原理证明傅里叶变换实现转台分度误差分离的基础上,建立转台分度误差与读数头测量值之间的函数模型;根据傅里叶变换中传递函数性质,重点说明双读数头安装角度间隔与测量误差谐波阶次间关系,优化了双读数头布置;在现场可编程门阵列电路平台上实现多读数头测量值的同步获取,采用坐标旋转数字计算方法完成谐波误差函数实时计算。搭建实验平台进行误差分离与补偿效果验证实验,实验结果证明采用优化布置的双读数头信号进行分度误差分离并补偿后,转台的分度误差峰峰值由57.58″减小到3.36″,补偿后的转台测角系统扩展测量不确定度为0.9″(k=2)。     

测角误差的自适应分段多项式补偿方法研究

针对圆光栅制造工艺和安装误差引起的圆光栅测角误差标定问题,提出了一种基于最小二乘法的自适应分段多项式拟合方法。通过设计区间自适应增长策略,在限制各拟合点最大拟合误差的条件下,将整个拟合区间分段,针对不同拟合区间采取不同阶数多项式进行拟合。通过实验采集了某转台圆光栅的测角误差,用提出的拟合方法进行了实验验证。结果表明该拟合方法具有更高的拟合精度,拟合过程简单,易于软硬件实现。     

“角度基准”中系统误差的修正

“圆光栅用于角度基准的研究”(角度基准)为国家提供了一台光、机、电、计算机相结合的仪器,它加工装调精细,又采用了许多高新技术,为高精度测角奠定了坚实基础。使用计算机误差修正技术,又进一步提高了仪器的测角精度。本文在分析了分度基准和细分器产生系统误差的根源之后,分别介绍了两种系统误差的测量与修正     

“角度基准”中系统误差的修正杨进堂(中国科学院长春光学精密机械研究所

“圆光栅用于角度基准的研究”（角度基准）为国家提供了一台光、机、电、计算机相结合的仪器，它加工装调精细，又采用了许多高新技术，为高精度测角奠定了坚实基础。使用计算机误差修正技术，又进一步提高了仪器的测角精度。本文在分析了分度基准和细分器产生系统误差的根源之后，分别介绍了两种系统误差的测量与修正     

三维激光球杆仪的系统误差分析与补偿

三维激光球杆仪是自研发的一种被动式激光跟踪仪,为了提高其测量精度,该文系统地分析了其主要误差源及补偿方法。首先,通过误差源分析,基于多体系统误差建模理论对仪器进行精度建模;其次,针对误差补偿模型,提出了简单有效的模型参数测量方法,即多齿分度台和光电自准直仪标定二维转台两测角误差,正倒镜法测量两旋转轴的不相交度,精密三轴机床测量轴系不垂直度误差;最后,完成精度补偿验证。实验结果表明,在有效测量范围内,补偿后的垂直度误差从120μm减小到28μm,X轴定位误差从20μm减小到8μm,Z轴定位误差从60μm减小到25μm。研究表明该补偿方法在不改变硬件结构的基础上能有效提高仪器的精度。     

双角度编码器超精密转台测角误差校准

为了提高超精密角度计量转台的测量精度,对转台所用编码器分度误差与细分误差的校准展开研究。首先,介绍了转台的结构,设计了方便进行相互比对的双角度编码器测角系统并描述了其多读数头布置方式。然后,基于直接比较法与自校准法进行了双编码器分度误差的快速、高精度校准。最后,借助精密电容式位移传感器测量系统,利用比较法检测了两套编码器各读数头的单信号周期测量误差。校准结果显示:采用双读数头均布的第一套编码器的分度误差为±0.27″,细分误差在±0.1″以内;基于四读数头均布方式进行测量的第二套编码器分度误差为±0.17″,细分误差在±0.2″以内;两套编码器的测量精度皆为亚角秒级。双编码器相互比对的校准方式有助于对转台的测角误差进行全面、准确地评估。     

精密减速器角位移测量系统设计

为了实现对精密减速器输入端和输出端角位移的精密测量,建立精密减速器角位移测量系统。对该系统的机械结构、角度测量及标定方法、基于非线性最小二乘法的误差补偿模型进行研究。通过"立式筒状"结构和圆光栅角度传感器"前置"避免了传统检测仪的弱刚度结构和轴系形变对角度测量造成的影响。使用光电自准直仪与24面棱体结合的方式离散标定圆光栅角度传感器的角位移测量误差,研究基于谐波分析的误差补偿方法,对角坐标进行补偿,进一步消除误差。实验结果显示,通过优化检测仪的结构设计,角位移测量精度达到±7″;误差补偿后,角位移最终测量精度达到±2″,满足减速器角位移测量的高精度要求,对类似测角系统也有参考价值。     

单一斜齿圆柱齿轮精确测量的简便方法

从制造的角度出发,阐述了精确测量单一斜齿圆柱齿轮齿形参数的简便方法,测量公法线长度计算基圆齿距从而查表确定模数和压力角,测齿顶圆直径估算分度圆螺旋角,用滚齿机修正分度圆螺旋角,并以实例说明测算的步骤,结果表明,该法避开了与加工无关的参数的反复测算,且测绘的精度能满足使用的要求。     

利用误差谐波补偿法提高金属圆光栅测角精度

提高圆光栅测角精度的方法除了提高分辨率和系统精度以外,广泛采用误差补偿方法。本文通过对新型金属圆光栅的研究,提出了一种基于软件的误差补偿方法——误差谐波补偿法。实验表明该方法可消除一定阶次内幅值和初相位不随时间变化的误差谐波,有效提高测角精度。