CN106705894B - 双圆光栅角位移检测系统的误差标定与补偿方法 - Google Patents

双圆光栅角位移检测系统的误差标定与补偿方法 Download PDF

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    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

Abstract

本发明公开了一种双圆光栅角位移检测系统的误差标定与补偿方法，采用以下步骤:1)误差标定：1.1)使输入端主动轴和输出端从动轴同轴处于标定状态；1.2)采用刚性联接件将固定座Ⅰ和固定座Ⅱ固接在一起；1.3)获取一圈内不同标定转角圆光栅尺Ⅰ和圆光栅尺Ⅱ的测量误差标定值；1.4)拆除刚性联接件，改变圆光栅尺Ⅰ和圆光栅尺Ⅱ的零位相位差，重复步骤1.2)～1.3)，得到测量误差标定矩阵的列表，2)拆除刚性联接件，恢复检测状态，进行检测；3)误差补偿：首先获得检测系统零位相位差和检测系统转角，然后通过查表获取测量误差标定值，进行补偿。采用本发明可以消除双圆光栅的安装误差。

Description

双圆光栅角位移检测系统的误差标定与补偿方法
技术领域
本发明涉及一种角位移误差的标定与补偿方法，特别是一种基于输入输出双圆光栅角位移检测系统的误差标定与补偿方法。
背景技术
圆光栅系统是测量角位移的精密测量传感器，具有精度高、寿命长等优点，广泛应用于机械行业，圆光栅系统的精度由光栅尺的栅格密度决定，一般来说，栅格密度越大精度越高，但测量精度也取决于光栅尺栅格的均匀度，如栅格间距有的地方宽，有的地方窄，都会给精度带来一定影响；此外，很大程度上圆光栅系统测量精度受圆光栅尺安装精度的制约，特别是圆光栅尺与旋转轴的偏心精度。
在许多应用场合，例如减速器、变速箱等需要同时检测输入端与输出端角位移的机械设备，需要两套圆光栅系统分别安装在输入端与输出端上，请参见专利申请号为2016110260108、发明名称为：一种精密减速器综合性能卧式高精度检测仪的专利申请以及专利申请号为2016110313533、发明名称为：一种精密减速器综合性能立式多自由度高精度检测仪的专利申请。由于不同的安装条件以及圆光栅系统的个体差异，使得两套传感系统各自有着不同的精度指标和误差分布，例如，单个圆光栅系统精度为±3″，两套圆光栅系统组合后精度可能变为±6″，因此仅用单个传感器精度替代系统综合测量精度是不正确的，单个测量系统的误差显然与两者组合而成的测量系统的误差分布不同，因此需要对两个独立测角系统(圆光栅)的误差分布进行相关性分析，找出基于不同相位的综合误差分布规律，进而采取误差补偿的方法消除双圆光栅的安装误差。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种双圆光栅角位移检测系统的误差标定与补偿方法，采用该方法可以消除双圆光栅的安装误差。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种双圆光栅角位移检测系统的误差标定与补偿方法，所述双圆光栅角位移检测系统包括能够同轴的输入端主动轴和输出端从动轴，在所述输入端主动轴上安装有圆光栅尺Ⅰ，所述圆光栅尺Ⅰ设有读数头Ⅰ，所述圆光栅尺Ⅰ固定在固定座Ⅰ上，在所述输出端从动轴上安装有圆光栅尺Ⅱ，所述圆光栅尺Ⅱ设有读数头Ⅱ，所述圆光栅尺Ⅱ固定在固定座Ⅱ上，该误差标定与补偿方法采用以下步骤：1)误差标定：1.1)使所述输入端主动轴和所述输出端从动轴同轴处于标定状态；1.2)采用刚性联接件将所述固定座Ⅰ和所述固定座Ⅱ固接在一起，然后记录所述圆光栅尺Ⅰ和所述圆光栅尺Ⅱ的零位相位差，记做标定零位相位差，所述刚性联接件与所述输入端主动轴和所述输出端从动轴同轴设置；1.3)使所述圆光栅尺Ⅰ和所述圆光栅尺Ⅱ旋转，通过所述读数头Ⅰ和所述读数头Ⅱ的读数获取一圈内不同标定转角所述圆光栅尺Ⅰ和所述圆光栅尺Ⅱ的读数差值δj，记做测量误差标定值，j为标定转角序号，j＝1、2、3、…、n，n是大于12的整数；1.4)拆除所述刚性联接件，改变所述圆光栅尺Ⅰ和所述圆光栅尺Ⅱ的零位相位差，重复步骤1.2)～1.3)，得到测量误差标定矩阵A(δij)的列表，i为相位差序号，i＝1、2、3、…、m，m为大于12的整数；2)拆除所述刚性联接件，使所述输入端主动轴和所述输出端从动轴恢复检测状态，然后将被测件的输入轴与所述输入端主动轴连接，将被测件的输出轴与所述输出端从动轴连接，旋转所述输入端主动轴，检测被测件的输入角位移和输出角位移；3)误差补偿：3.1)在t时刻，获取所述读数头Ⅰ和所述读数头Ⅱ的读数a1和a2，a1是所述输入端主动轴的角位移，也是被测件的输入角位移，a2是所述输出端从动轴的角位移，也是被测件的输出角位移；3.2)将a1和a2各自去掉整数圈部分，得到α和β，取α或β的数值作为检测系统转角，并且获得α-β的差值，该差值为所述圆光栅尺Ⅰ和所述圆光栅尺Ⅱ的零位相位差，也是检测系统零位相位差；3.3)通过在测量误差标定矩阵A(δij)的列表中选取与检测系统零位相位差相同或相近的标定零位相位差和与检测系统转角相同或相近的标定转角，获取测量误差标定值；3.4)用a1减去a2的差值减去步骤3.3)获得的测量误差标定值得到t时刻被测件输入角位移和输出角位移的差值。
所述刚性联接件是圆轴。
本发明具有的优点和积极效果是：通过将两圆光栅系统固接成一个测量系统，对测量系统中两个独立测角系统的误差分布进行相关性分析，找出基于不同相位的测量误差分布规律，通过误差补偿减小检测测量误差，提高角位移检测系统的精度，有助于提高角位移差计量精度，对促进高精度转动角度检测技术的发展具有重大意义。
附图说明
图1为本发明应用的示意图。
图中：1、圆光栅尺Ⅰ；2、读数头Ⅰ；3、固定座Ⅰ；4、刚性联接件；5、圆光栅尺Ⅱ；6、读数头Ⅱ；7、固定座Ⅱ；8、输出端从动轴；9、输入端主动轴。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1，一种双圆光栅角位移检测系统的误差标定与补偿方法，所述双圆光栅角位移检测系统包括能够同轴的输入端主动轴9和输出端从动轴8，在所述输入端主动轴9上安装有圆光栅尺Ⅰ1，所述圆光栅尺Ⅰ1设有读数头Ⅰ2，所述圆光栅尺Ⅰ1固定在固定座Ⅰ3，在所述输出端从动轴8上安装有圆光栅尺Ⅱ5，所述圆光栅尺Ⅱ5设有读数头Ⅱ6，所述圆光栅尺Ⅱ5固定在固定座Ⅱ7上，该误差标定与补偿方法采用以下步骤：
1)误差标定：
1.1)使所述输入端主动轴9和所述输出端从动轴8同轴处于标定状态。
1.2)采用刚性联接件4将所述固定座Ⅰ3和所述固定座Ⅱ7固接在一起，然后记录所述圆光栅尺Ⅰ1和所述圆光栅尺Ⅱ5的零位相位差，记做标定零位相位差，所述刚性联接件4与所述输入端主动轴9和所述输出端从动轴8同轴设置。
1.3)使所述圆光栅尺Ⅰ1和所述圆光栅尺Ⅱ5旋转，通过所述读数头Ⅰ2和所述读数头Ⅱ6的读数获取一圈内不同标定转角所述圆光栅尺Ⅰ1和所述圆光栅尺Ⅱ5的读数差值δj，记做测量误差标定值，j为标定转角序号，j＝1、2、3、…、n，n是大于12的整数。
1.4)拆除所述刚性联接件4，改变所述圆光栅尺Ⅰ1和所述圆光栅尺Ⅱ5的零位相位差，重复步骤1.2)～1.3)，得到测量误差标定值矩阵A(δij)的列表，i为相位差序号，i＝1、2、3、…、m，m为大于12的整数。
测量误差标定值矩阵A(δij)的列表
2)拆除所述刚性联接件4，使所述输入端主动轴9和所述输出端从动轴8恢复检测状态，然后将被测件的输入轴与所述输入端主动轴9连接，将被测件的输出轴与所述输出端从动轴8连接，旋转所述输入端主动轴8，检测被测件的输入角位移和输出角位移。
3)误差补偿：
3.1)在t时刻，获取所述读数头Ⅰ2和所述读数头Ⅱ5的读数a1和a2，a1是所述输入端主动轴9的角位移也是被测件的输入角位移，a2是所述输出端从动轴8的角位移，也是被测件的输出角位移。
3.2)将a1和a2各自去掉整数圈部分，得到α和β，取α或β的数值作为检测系统转角，并且获得α-β的差值，该差值为所述圆光栅尺Ⅰ1和所述圆光栅尺Ⅱ5的零位相位差，也是检测系统零位相位差。
3.3)通过在误差矩阵A(δij)的列表中选取与检测系统零位相位差相同或相近的标定零位相位差和与检测系统转角相同或相近的标定转角，获取测量误差标定值。
3.4)用a1减去a2的差值减去步骤3.3)获得的测量误差标定值得到t时刻被测件输入角位移和输出角位移的差值，使被测件输入角位移和输出角位移的差值误差得到补偿。
在本实施例中，所述刚性联接件4是圆轴。
本发明的原理：
在采用两套圆光栅系统分别测量被测件输入、输出，并获取其角位移差时，由于圆光栅尺Ⅰ和圆光栅尺Ⅱ的安装误差情况不同，两圆光栅测量误差会有差异，误差差异随着两圆光栅尺的相对零位位置以及转角变化而变化，这部分差异可能会叠加也可能会抵消，给角位移差测量带来不确定性，因此需要对双圆光栅角位移检测系统整体进行标定，得到系统测量误差标定值用于补偿。因此，采用刚性联接件固接两圆光栅系统，使其成为一体，得到两圆光栅在一圈内的所有不同零位相位差时的标定输出值，并求其读数差值作为两圆光栅在此姿态下的测量误差，由于单个圆光栅系统的特点是读数误差不累积，每旋转一个整数圈后误差会消除，因此只需在360°内找出所有不同系统转角的测量误差标定值，得到测量误差标定值矩阵列表。在采用圆光栅系统检测被测件时，根据两圆光栅系统的零位相位差与系统转角，采用查表法从测量误差标定值矩阵A(δij)的列表内找到两圆光栅系统的测量误差标定值，将此测量误差标定值补偿到被测角位移差内，就可得到更加精确的被测角位移差。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种双圆光栅角位移检测系统的误差标定与补偿方法，所述双圆光栅角位移检测系统包括能够同轴的输入端主动轴和输出端从动轴，在所述输入端主动轴上安装有圆光栅尺Ⅰ，所述圆光栅尺Ⅰ设有读数头Ⅰ，所述圆光栅尺Ⅰ固定在固定座Ⅰ上，在所述输出端从动轴上安装有圆光栅尺Ⅱ，所述圆光栅尺Ⅱ设有读数头Ⅱ，所述圆光栅尺Ⅱ固定在固定座Ⅱ上，其特征在于，该误差标定与补偿方法采用以下步骤:
1)误差标定：
1.1)使所述输入端主动轴和所述输出端从动轴同轴处于标定状态；
1.2)采用刚性联接件将所述固定座Ⅰ和所述固定座Ⅱ固接在一起，然后记录所述圆光栅尺Ⅰ和所述圆光栅尺Ⅱ的零位相位差，记做标定零位相位差，所述刚性联接件与所述输入端主动轴和所述输出端从动轴同轴设置；
1.3)使所述圆光栅尺Ⅰ和所述圆光栅尺Ⅱ旋转，通过所述读数头Ⅰ和所述读数头Ⅱ的读数获取一圈内不同标定转角所述圆光栅尺Ⅰ和所述圆光栅尺Ⅱ的读数差值δj，记做测量误差标定值，j为标定转角序号，j＝1、2、3、…、n，n是大于12的整数；
1.4)拆除所述刚性联接件，改变所述圆光栅尺Ⅰ和所述圆光栅尺Ⅱ的零位相位差，重复步骤1.2)～1.3)，得到测量误差标定矩阵A(δij)的列表，i为相位差序号，i＝1、2、3、…、m，m为大于12的整数；
2)拆除所述刚性联接件，使所述输入端主动轴和所述输出端从动轴恢复检测状态，然后将被测件的输入轴与所述输入端主动轴连接，将被测件的输出轴与所述输出端从动轴连接，旋转所述输入端主动轴，检测被测件的输入角位移和输出角位移；
3)误差补偿：
3.1)在t时刻，获取所述读数头Ⅰ和所述读数头Ⅱ的读数a1和a2，a1是所述输入端主动轴的角位移，也是被测件的输入角位移，a2是所述输出端从动轴的角位移，也是被测件的输出角位移；
3.2)将a1和a2各自去掉整数圈部分，得到α和β，取α或β的数值作为检测系统转角，并且获得α-β的差值，该差值为所述圆光栅尺Ⅰ和所述圆光栅尺Ⅱ的零位相位差，也是检测系统零位相位差；
3.3)通过在测量误差标定矩阵A(δij)的列表中选取与检测系统零位相位差相同或相近的标定零位相位差和与检测系统转角相同或相近的标定转角，获取测量误差标定值；
3.4)用a1减去a2的差值减去步骤3.3)获得的测量误差标定值得到t时刻被测件输入角位移和输出角位移的差值。
2.根据权利要求1所述的双圆光栅角位移检测系统的误差标定与补偿方法，其特征在于，所述刚性联接件是圆轴。
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