一种基于单读数头的圆光栅安装误差标定与修正方法与流程

本发明涉及精密机械领域，具体涉及一种基于单读数头的圆光栅安装误差标定与修正方法。

背景技术：

角度量测量广泛应用于各个领域，尤其是在精密机械领域。传统的精密角度量测量一般使用编码器、旋转变压器和圆光栅。其中编码器测角精度高，但因盘片采用玻璃刻划，环境适应性较差，在振动严重时易碎；旋转变压器环境适应性好，但测角精度较低；而圆光栅是金属元件，环境适应性好，同时测量精度较高，但其安装方式决定了安装偏心、径跳和端跳对其测量精度影响较大，以往的方式一般是将安装精度控制在3μm以内，对安装工艺和工夹具要求非常高，或者是使用双读数头将数据作差分处理消除其安装误差，但此方法成本高，且很多应用场合没有安装双读数头的空间。所以如能使用简单的方法，在使用单读数头的情况下标定和修正安装误差，对提高圆光栅测量精度具有重要意义。

技术实现要素：

本发明要解决传统的精密角度量测量无法同时达到低成本、高精度、高可靠性、高温度适应性的技术问题，提供一种基于单读数头的圆光栅安装误差标定与修正方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种基于单读数头的圆光栅安装误差标定与修正方法，包括以下步骤：

步骤1、在安装圆光栅时，使用千分表保证安装的偏心量、径跳和端跳在10μm以内，并精确测量偏心量、径跳、端跳以便分析数据标定和误差修正合理性；

步骤2、使用工装将金属多面体安装于旋转部件上，使金属多面体与旋转部件同步运动；

步骤3、使用高精度自准直仪对准金属多面体的任意一个面，并调整旋转部件，使高精度自准直仪成像在夹线之间，此时高精度自准直仪读出误差应在“±0.1”之间，记录误差为e₁；

步骤4、调整旋转部件，若金属多面体面的个数为m，调整角度值应为(360°/m)°，而后读取高精度自准直仪测量误差，记录为e_m；

步骤5、重复步骤4直至旋转一周，在m个面下得到m个测量误差；

步骤6、使用最小二乘法多项式曲线拟合的方式，将每个测量范围内的测量误差平均分配，即得到单个区域内的修正公式，从而得到圆光栅0°～360°范围内分段的误差修正公式；

步骤7、通过圆光栅读数头获取的测角值，根据步骤6得到的误差修正公式计算误差量，实时对测量数据进行修正。

在上述技术方案中，步骤6具体实施方案为：

根据最小二乘法分段拟合误差曲线模型，其公式如下：

其中：δ为误差偏差平方和，e_j为误差测量值，为最小二乘法分段拟合的误差曲线方程，i为当前拟合段的序号，j为参与拟合的点序号；

选择任意连续的六点误差数据，根据公式(1)拟合最小二乘法曲线，得到对应多项式曲线方程，该方程用于标定这六点中最中间两个点之间的误差数据，以此类推，计算所有m段误差方程。

本发明的工作原理：本发明设计了一种通过千分表控制圆光栅安装中出现的偏心量、径跳和端跳，借助金属多面体将位移误差转换为圆周测角误差，拟合测角误差公式，对测量数据进行实时修正的圆光栅安装误差标定与修正方法。

本发明的有益效果是：

本发明提供的基于单读数头的圆光栅安装误差标定与修正方法，该方法降低了圆光栅安装过程中对安装工艺的高难度要求，充分考虑了360°范围内测角误差分布的数学特性，实现了低难度、高精度的快速圆光栅安装方法，改善基于单一数学模型的误差修正精度，为高精度角度测量提供依据。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的测量部件组成结构图。

图2为本发明的基于单读数头的圆光栅安装误差标定与修正方法流程图。

具体实施方式

本发明的发明思想是：圆光栅安装误差是引起其测角误差的最重要因素，所以需要使用一种快速、精确、简单的方法对其进行标定和修正。本方法使用千分表、金属多面体、自准直仪和计算机建立测量策略。具体涉及测量圆光栅安装时的偏心量、径跳和端跳，而后根据空间坐标变换将安装位移量误差转换为圆周测角误差，通过标定而后实时修正的方式实现高精度角度测量。可解决以往测角方法无法同时达到低成本、高精度、高可靠性、高温度适应性的缺点，可降低圆光栅安装要求，且仅需使用单读数头即可达到较理想的测角精度。利用千分表保证圆光栅安装位移量误差(包括偏心量、径跳、端跳)在10μm以内，而后使用金属多面体和高精度自准直仪(精度1″)，将位移量误差引起的圆周测角误差进行多区域标定，然后在区域内采用最小二乘法多项式曲线拟合的方式实时修正测角误差，可达到较高的测量精度。本发明通过空间坐标变换的方法将位移量产生的误差直接转换至圆周测角误差，再通过多区域精密标定的方法拟合出误差修正参数，最后在测量时进行实时修正，降低了对圆光栅的安装要求，实现了使用单读数头达到较理想的角度测量精度。

结合图1和2说明本发明实施方式，硬件上由千分表、24面金属多面体和高精度自准直仪(精度1″)、计算机构成。软件上由运行于计算机的采集软件、标定软件和数据修正处理软件构成。具体实施方式如下：

步骤1、在安装人员安装圆光栅过程中，使用千分表测量圆光栅的偏心量、径跳和端跳；检查偏心量、径跳和端跳是否在10μm以内，如果在10μm以内进行步骤2安装金属多面体；如果不在10μm以内，调整圆光栅直至偏心量、径跳和端跳在10μm以内；

步骤2、使用工装将金属多面体安装于旋转部件上，确保金属多面体与旋转部件同步运动；

步骤3、计算机开机，标定与修正软件启动，圆光栅读数头上电，检查如下内容：

a)圆光栅读数头是否上电成功；

b)圆光栅角度数据采集是否正常；

c)高精度自准直仪成像是否正常；

如不正常，提示安装人员检查；如正常，则选择金属多面体的任意一个面，使用高精度自准直仪对准，并旋转部件使自准直仪成像在夹线之间，保证自准直仪读出误差在“±0.1”之间，将当前圆光栅测角度值清零；

步骤4、旋转部件，调整角度值应为15°(360°/24)，即将自准直仪对准金属多面体的下一个面，读取圆光栅读数头测量数据，计算测量误差，记录为e₁；

步骤5、重复步骤4直至旋转一周，得到金属多面体所有面的24个测量误差(e₁～e₂₄)；

步骤6、测量结束后，根据最小二乘法分段拟合误差曲线模型；其原理如下：

其中：

δ——误差偏差平方和；

e_j——误差测量值；

——最小二乘法分段拟合的误差曲线方程；

i——当前拟合段的序号；

j——参与拟合的点序号；

选择任意连续的六点误差数据，根据公式(1)拟合最小二乘法曲线，得到对应多项式曲线方程，该方程用于标定这六点中最中间两个点之间的误差数据，以此类推，计算所有24段误差曲线方程。

步骤7、根据步骤6得到的误差曲线模型，实时地对圆光栅测角数据进行修正，进而得到较高精度的测角值。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。