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。     

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。     

大型望远镜测角系统误差的修正

由于大型望远镜转台轴系对测角精度要求较高,本文研究了测角数据系统的误差修正技术。分析了测角数据误差产生的原因,对测角元件误差、安装误差、被测轴系误差进行了讨论,指出轴系测角分系统的误差规律符合谐波方程,故提出采用谐波方程式来表达误差规律。针对工程应用,建立了基于傅里叶级数的简化谐波方程误差公式,用谐波方程算法和多项式拟合算法对系统误差进行修正。在一个望远镜垂直轴转台进行了试验验证,结果显示测角精度峰值由原来的3.81″提高到了1.06″。实验表明,基于傅里叶级数的修正算法,较好地符合误差分布规律;采用系统误差修正技术,可以对系统综合误差统一修正,能够有效提高系统测角精度。     

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。     

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。     

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。     

一种新型的旋转变压器测角误差标定技术

提出了一种新的基于速率转台恒速转动和位置转动相结合的旋转变压器测角误差动静态组合标定方法,准确得到了0~360°测角误差曲线.采用周期项与趋势项相结合的方法对得到的误差曲线进行建模,并利用傅里叶谐波分析和最小二乘拟合法对误差的各次项进行补偿.实验证明该方法大幅度的提高了旋转变压器的测角精度,且测试方法简单,操作过程容易,解决了计算机连续自动采样和复杂谐波分量下的补偿等问题,大大提高了标定效率.     

高精度角分度转台设计及其误差修正研究

高精度转台在诸多领域有着广泛的应用,为了提高其转台角分度精度,提出了一种高精度角分度转台及其误差修正方法。首先,介绍了转台的结构设计,转台采用了蜗轮蜗杆传动、圆光栅测角的形式,轴承采用了交叉滚柱轴环,圆光栅采用了增量式,对转台的载物台面进行了力学仿真分析,考察了转台的静力学性能及模态特征;然后,利用多齿分度台和自准直仪对转台的测角精度进行了标定,根据标定获得的误差分布规律,采用基于查表的方法进行了误差补偿,对于整度数之间无标定数据的部分,采用线性插值的方法获得了误差修正量,从而建立了完整的0～360°范围内的误差修正量数表;最后,分别利用多齿分度台和十七面体对误差修正效果进行了实验验证。研究结果表明:利用该方法进行误差补偿,测角最大误差由32.12″降低到1.95″;同时,查表法有效修正了测角误差,使转台可以满足实际场合的使用要求。     

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。     

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。     

时栅测角系统误差自动采样及补偿研究

由于时栅测角系统受限于校准器的运动和装配环境,难以使用光栅作为精度基准仪器来进行密集的误差采样.为了实现较高精度的测量,通过对时栅测角系统的位移解算和对磁场式Ⅱ型时栅传感器结构进行了剖析,利用稀疏采样误差数据开展了频谱研究,得到了测角系统的补偿模型;提出了一种基于激光干涉仪的时栅测角系统误差自动稀疏采样及补偿的方法,采...     

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。     

圆光栅测角系统示值误差分析与补偿

首先针对引起圆光栅测角系统示值误差的主要来源(光栅盘的偏心及倾斜)进行理论研究,同时提出光栅盘与转动轴的同轴安装方法;利用中国计量科学研究院的全圆连续角度标准装置(测量不确定度为0.05″)对待测圆光栅测角系统直接进行溯源性测试,避免了圆光栅安装过程和间接溯源性测试(多面棱体和光电自准直仪配合校准)过程中引入的仪器误差;其次利用谐波理论分析偏心和倾斜以及其它阶次误差在频谱中的分布;最后针对安装偏心和倾斜造成的误差,进行谐波补偿。实验结果表明,测角系统的示值误差从补偿前的100″减小到了10″,有效消除了光栅盘安装偏心、倾斜造成的稳定可复现的误差谐波成分。     

船载经纬仪数据处理

为了保证船载经纬仪的测角精度,补偿站位及船摇误差,分析了船载设备的姿态数据对测角误差的影响并建立了船摇误差模型.根据该模型提出了设备标定及测量方案,并给出了船载设备站位修正及事后数据处理方法.首先,建立船摇误差模型,分别给出航向、俯仰及横滚测量误差对设备方位角和俯仰角的影响公式;结合测量设备指标及任务要求,制定了标定及测量方案,给出了设备能够保证精度的测角范围.然后,提出了在船载设备特殊使用环境下,站位数据的测量方法及相应的站位船摇修正算法.最后,说明了船载光测设备的测量数据事后处理方法.实验结果表明,在船载精确姿态测量系统最大误差为航向角1.2′,纵倾角24″,横倾角24″的条件下,设备的测角误差均方根为方位≤57″,俯仰≤34″,基本达到了在该测量条件下的理论最优测角精度.     

编码器轴系晃动对测角精度影响分析

光电轴角编码器作为一种精密测角传感器,其测角精度受到多种因素的影响,其中轴系晃动是影响其精度的主要因素之一。为了研究编码器轴系晃动的规律,利用多种检测方法对轴系晃动进行检测,利用傅里叶谐波数学模型对测量结果进行分析,并结合编码器测角精度检测结果,发现测角精度与轴系晃动的低频谐波之间存在固定的函数关系,采用这种关系可以补偿编码器的测角误差。利用这种方法可以在编码器内部或在线的方式进行实时误差补偿,从而达到提高编码器测角精度的目的。这对相关仪器的测量精度的提高起到一定参考意义。     

车载经纬仪的测量误差修正

载车平台变形会直接导致经纬仪方位旋转轴线产生倾斜,从而影响经纬仪的测角精度。为补偿测角精度,实现活动站测量,通过球面几何推导了平台变形对光电经纬仪测角误差影响的修正公式,利用光电轴角编码器精度高、采样频率高的特性,测量出经纬仪坐标系倾斜,经过坐标变换推导出经纬仪倾斜角和倾斜方向,该测量装置通过时统终端与经纬仪望远系统同时记录测角数据及倾斜数据,从而对测角误差进行修正。实验结果表明,该方法能够实时有效地补偿因平台变形而带来的测角误差,使经纬仪不落地测角精度控制在20″内,为实现高精度车载光电测量提供了一种有效的途径。     

三点法中测头角位置的精密测量方法

研究了三点法圆度及轴系误差测量中测头角位置的精密测量方法。设计了能直接测量非接触电容传感器测头实测状态下的角位置的测角系统,提出了克服测头角位置测量误差及三个测头灵敏度标定误差影响的校正方法。实验表明：采用本文提出的“多刻线”法测角精度优于1′,测头角位置测量误差及三个测头灵敏度标定误差对测量精度的影响可降致最小。     

旋转变压器数据融合与误差补偿的FPGA实现

为提高双通道多极旋转变压器测角系统的精度,提出了基于查表原理的粗、精通道测角数据融合方法。该方法降低了数据融合技术对粗通道旋转变压器原始测角精度的要求,并针对融合后测角误差曲线建立了基于三角函数拟合的误差补偿函数,在FPGA中实现了数据融合和误差补偿的快速计算,且搭建了双通道多极旋转变压器标定实验平台。     

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。