CN110030953A - 一种圆光栅测角误差补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种圆光栅测角误差补偿方法，包括以下步骤：在给定温度内，以温度梯度为5，获得不同温度下的圆光栅测角误差；利用谐波法建立在某温度下的圆光栅测角误差补偿模型；其次，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；将多项式拟合得到的函数关系式代入谐波误差补偿模型，得到含有温度影响因子的圆光栅测角误差补偿模型；在不同温度梯度下，重复实验，得到新的测角误差，验证新型圆光栅测角误差补偿方法的补偿效果。本发明能够节约成本，提高旋转关节测角精度，进而提高便携关节式坐标测量测量精度和产品可靠性。

Description

一种圆光栅测角误差补偿方法
技术领域
本发明属于测量仪器领域，尤其涉及一种圆光栅测角误差补偿方法。
背景技术
便携关节式坐标测量机作为一种非正交式坐标测量仪器，具有测量范围大、便携性好、质量轻等优点，已广泛应用于汽车制造、飞机装配、模具制造等领域。通常情况下，便携关节式坐标测量机由5～7个旋转关节串联而成，每个旋转关节上均安装有圆光栅编码器，用于测量每个旋转关节的旋转角度。每个旋转关节的测角精度直接影响便携关节式坐标测量机的测量精度。如何进一步提高旋转关节的测角精度成为研究焦点。
为了提高旋转关节的测角精度，国内外学者主要采用以下三种方法开展研究：(1)运用光电自准直仪结合多面棱体检测旋转关节的测角误差，并利用数学方法对测角误差加以修正；(2)运用多数头自校准方法对旋转关节的测角误差进行修正；(3)从圆光栅传感器的测角原理角度，对其安装偏心进行消除。技术人员分别运用方法(1)采用谐波分析、径向基函数网络、样条插值、自适应差分进化-傅里叶神经网络、稀疏分解等不同数学方法修正圆光栅安装偏心引起旋转关节的测角误差。也有人采用EDA(Equal Division Averaged)、FPD(Prime Factor Division)、TDR(Time-measurement Dynamic Reversal)和其他自标定方法修正旋转关节的测角误差。近几年，一些学者依据圆光栅传感器的测角原理，实现圆光栅安装偏心和径向误差运动实时测量，以达到提高旋转关节测角精度目的。不足之处，方法(1)对旋转关节的测角误差进行修正时，尚未考虑环境温度对旋转关节测角精度的影响；方法(2)对旋转关节测角误差能够实时修正，但需要布置多个读数头且成本较高；方法(3)对旋转关节径向误差运动和圆光栅安装偏心实时测量，并加以补偿，但未有成熟的商业产品。
发明内容
本发明的目的是为了解决这一问题，对便携关节式坐标测量机使用环境，提出了一种含有环境温度影响因子的圆光栅测角误差补偿方法。使用单读数头即可完成测角误差修正，节约成本；圆光栅测角误差补偿模型可应用于旋转关节，提高旋转关节测角精度，进而提高便携关节式坐标测量测量精度，提高产品可靠性。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
一种圆光栅测角误差补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将圆光栅测角系统放置于恒温箱中等待，使用光电自准直仪和硬件数据采集系统，结合多面棱体采集圆光栅测角数据；继续升温，每隔5℃测量一组测角数据，直至升到设定温度；
2)根据实验采集到的测角数据，进行数据处理，求得圆光栅测角误差；
3)利用谐波法建立在设定温度下的圆光栅测角谐波误差补偿模型；
4)将圆光栅测角误差与测角值代入3)所述模型中，利用最小二乘法求解模型系数a0、ai和bi，其中a0为谐波误差补偿模型函数常数项，ai为各阶正弦项系数，bi为各阶余弦项系数；
5)用多项式拟合方法对不同温度下谐波分量系数A与环境温度Th的关系进行拟合，得到相应的函数表达式；
6)将多项式拟合方法得到的函数表达式代入谐波误差补偿模型中，得到圆光栅测角误差补偿模型；
7)在不同的温度梯度下，重复实验，对圆光栅测角误差进行测量，将测量结果与圆光栅测角误差补偿模型计算得到的误差修正值进行比较，以此对补偿效果进行验证。
优选地，步骤1，在圆光栅测角系统的旋转关节上设有轴体，所述轴体安装单读数头。
优选地，步骤1，设定恒温箱变温范围为10～40℃。
优选地，步骤3，谐波误差补偿模型：
优选地，步骤5，函数表达式：
其中，f(Th)为以温度Th(取值10～40℃内)为变量，求得谐波多项式系数的多项式拟合函数，m为多项式阶数，表示求得常数a0的多项式系数，和分别表示求得谐波分量系数ai和bi的多项式系数。
优选地，步骤6，将谐波阶数和多项式次数分别取n＝7和m＝5，得到：
优选地，步骤7，圆光栅测角误差模型在13℃、18℃、23℃、28℃、33℃、38℃温度条件下进行测量。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
考虑环境温度对圆光栅测角精度的影响，提高旋转关节的测角可靠性；使用单读数头即可完成测角误差修正，节约成本；圆光栅测角误差补偿模型可应用于旋转关节，提高旋转关节测角精度，进而提高便携关节式坐标测量测量精度，提高产品可靠性。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明圆光栅测角误差补偿方法的实验系统示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种圆光栅测角误差补偿方法，包括如下步骤：
1)将圆光栅测角系统放置于10℃的恒温箱4中等待2小时之后，使用光电自准直仪1和硬件数据采集系统，结合轴体3上安装的多面棱体2采集圆光栅测角数据；继续升温，每隔5℃测量一组测角数据，直至升到设定温度；设定恒温箱变温范围为10～40℃。在圆光栅测角系统的旋转关节上设有轴体，所述轴体安装单读数头。
2)根据实验采集到的测角数据，参照《光电轴角编码器校准规范(JJF 1115-2004)》进行数据处理，求得圆光栅测角误差；
不同温度下的部分圆光栅测角误差数据如表2所示。
表1
3)利用谐波法建立在设定温度下的圆光栅测角谐波误差补偿模型；
其中：ΔE为圆光栅测角误差值，a0为常数项，ai和bi为各次谐波分量的系数，θ为采样角度值。
4)将圆光栅测角误差与测角值代入3)所述模型中，利用最小二乘法求解模型系数a0、ai和bi，其中a0为谐波误差补偿模型函数常数项，ai为各阶正弦项系数，bi为各阶余弦项系数；特定温度下圆光栅测角误差补偿模型系数部分数据如表2所示：
表2
5)用多项式拟合方法对不同温度下谐波分量系数A(包含谐波分量系数a0、ai和bi)与环境温度Th(取值10～40℃内)的关系进行拟合，得到相应的函数表达式；
其中，f(Th)为以温度Th(取值10～40℃内)为变量，求得谐波多项式系数的多项式拟合函数，m为多项式阶数，表示求得常数a0的多项式系数，和分别表示求得谐波分量系数ai和bi的多项式系数。
求得多项式拟合系数如表3所示：
表3
6)将多项式拟合方法得到的函数表达式代入谐波误差补偿模型中，得到圆光栅测角误差补偿模型：ΔE(θ,Th)；为了保证误差修正精度和计算效率，将谐波阶数和多项式次数分别取n＝7和m＝5，得到：
7)为了验证已建立新型圆光栅热误测角误差模型在10～40℃下的误差补偿效果，在不同的温度梯度下，重复实验，对圆光栅测角误差进行测量，将测量结果与圆光栅测角误差修正模型计算得到的误差修正值进行比较，以此对ΔE(θ,Th)的补偿效果进行验证。圆光栅测角误差模型在13℃、18℃、23℃、28℃、33℃、38℃温度条件下进行测量。
以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种圆光栅测角误差补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将圆光栅测角系统放置于恒温箱中等待，使用光电自准直仪和硬件数据采集系统，结合多面棱体采集圆光栅测角数据；继续升温，每隔5℃测量一组测角数据，直至升到设定温度；
2)根据实验采集到的测角数据，进行数据处理，求得圆光栅测角误差；
3)利用谐波法建立在设定温度下的圆光栅测角谐波误差补偿模型；
4)将圆光栅测角误差与测角值代入3)所述模型中，利用最小二乘法求解模型系数a0、ai和bi，其中a0为谐波误差补偿模型函数常数项，ai为各阶正弦项系数，bi为各阶余弦项系数；
5)用多项式拟合方法对不同温度下谐波分量系数A与环境温度Th的关系进行拟合，得到相应的函数表达式；
6)将多项式拟合方法得到的函数表达式代入谐波误差补偿模型中，得到圆光栅测角误差补偿模型；
7)在不同的温度梯度下，重复实验，对圆光栅测角误差进行测量，将测量结果与圆光栅测角误差补偿模型计算得到的误差修正值进行比较，以此对补偿效果进行验证。
2.根据权利要求1所述一种圆光栅测角误差补偿方法，其特征在于，步骤1，在圆光栅测角系统的旋转关节上设有轴体，所述轴体安装单读数头。
3.根据权利要求1所述一种圆光栅测角误差补偿方法，其特征在于，步骤1，设定恒温箱变温范围为10～40℃。
4.根据权利要求1所述一种圆光栅测角误差补偿方法，其特征在于，步骤3，谐波误差补偿模型：
5.根据权利要求1所述一种圆光栅测角误差补偿方法，其特征在于，步骤5，函数表达式：
其中，f(Th)为以温度Th(取值10～40℃内)为变量，求得谐波多项式系数的多项式拟合函数，m为多项式阶数，表示求得常数a0的多项式系数，和分别表示求得谐波分量系数ai和bi的多项式系数。
6.根据权利要求1所述一种圆光栅测角误差补偿方法，其特征在于，步骤6，将谐波阶数和多项式次数分别取n＝7和m＝5，得到：
7.根据权利要求1所述一种圆光栅测角误差补偿方法，其特征在于，步骤7，圆光栅测角误差模型在13℃、18℃、23℃、28℃、33℃、38℃温度条件下进行测量。
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