CN110081837B - 一种通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动及偏心误差的方法 - Google Patents
一种通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动及偏心误差的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110081837B CN110081837B CN201910418764.5A CN201910418764A CN110081837B CN 110081837 B CN110081837 B CN 110081837B CN 201910418764 A CN201910418764 A CN 201910418764A CN 110081837 B CN110081837 B CN 110081837B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- reading head
- error
- reading
- eccentricity
- shaking
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 5
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000013480 data collection Methods 0.000 claims description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 9
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 2
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 2
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optical Transform (AREA)
Abstract
本发明公开了一种通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动及偏心误差的方法，利用圆光栅双读数头对径安装均值消除轴晃及偏心误差原理，使用四个读数头两两测得均值，然后分别用得到的两个均值与相应的单读数头之差可获取轴晃和偏心量x方向和y方向的分量，由此得到轴晃和偏心误差的方向和数值，最后再利用偏心量重复性和轴晃随机性将轴晃误差将偏心误差和轴晃误差分离出来。最后，由硬件和软件组成，硬件中数据采集板分别采集测角圆光栅四个读数头数据后送入PC机，软件利用偏心误差重复和轴晃误差随机性分离轴晃误差和偏心误差。该方法利用测角圆光栅装置，具有成本低、安装方便、精度高等优点，可用于精密轴系加工、精密轴系检测等领域。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体是一种通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动及偏心误差的方法。
背景技术
圆光栅编码器作为高精度的测角装置，它的结构简单是以高精度的光栅作为核心的测角元件，组成部件一般有轴系、光源、透镜、主光栅、指示光栅、光电接收转换元件以及后续的数据处理部分，因为其主要应用于各种精密仪器中，特别是在航空航天领域的应用，因此提高其分辨率和精度成为迫切要求。要想提高其精度，除了从光电编码器的编码、精码细分、刻划技术等方面考虑，对其产生的误差进行检测，从而进行补偿是其必不可少的重要工作，误差过大会引起读数偏差、误码等，极大的影响测量结果。
轴晃误差是影响其精度的主要因素之一，它是由于轴系之间的间距产生的轴系晃动导致的误差。在光源的照射下编码器的两个光栅做相对运动产生莫尔条纹，经过光栅码道调制后的莫尔条纹信号通过电子学处理得到精确的角度信息，在动光栅上刻制这表示位置信息的绝对编码，而动光栅又与轴系相连，轴系的晃动直接影响编码的窜动，影响角度位置的准确性。晃动的结果直接导致光栅圆盘圆心和轴系旋转圆心之间存在误差，从而带来圆弧测量误差。所以需要技术手段来检测误差数据进行误差消除补偿，控制轴系晃动可以保证系统的精度，测角计算准确进行，为需要高精度测量的领域提供技术保障。
现有的传统轴晃检测方法有水平仪检测方法、球电感检测方法等，而这些方法都存在着一定的缺陷不足，水平仪检测方法限制了轴系的放置方向，要求必须竖直放置才能使用水平仪进行测量，球电感检测方法测量的晃动误差为静态测量误差，与实际工作状态存在一定的偏差。
发明内容
为了解决上述现有方法存在的问题，本发明的目的在于提出一种通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动误差的方法，该方法利用圆光栅双读数头对径后均值安装消除轴晃及偏心误差原理，使用四个读数头均匀分布于圆光栅周围进行角度测量，对径两个读数头绝对位置的均值作为真实值，与未消除误差之前其中一个读数头测量值进行相减作差，分析差值中重复部分和随机部分分离出轴晃误差和偏心误差。该方法利用测角圆光栅装置，具有成本低、安装方便、精度高等优点，可用于精密轴系加工、精密轴系检测等领域。
本发明采用的技术方案为：一种通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动误差的方法，包括步骤如下：
步骤一、将四个读数头H1、H2、H3、H4分别以90度相位分布在圆光栅四周；
步骤二、轴系旋转多圈，用数据收集模块获取四个读数头分别测量的位置数据；
步骤三、在PC机中处理数据，将对径两个读数头的测量值计算均值，用均值计算公式，得到读数头H1和读数头H3的均值为e13，读数头H2和读数头H4的均值为e24；
步骤四、将平均值与其中一个读数头测得的位置数据作差，根据圆光栅双读数头对安装后均值消除轴晃及偏心误差原理，得到轴晃和偏心误差在x方向和y方向的分量；
步骤五、合成分量，得到轴晃和偏心误差在该角度的方向和大小；
步骤六、根据偏心误差是具有周期重复性，而轴晃是随机不重复的，由此分析差值中重复部分和随机部分分离出轴晃误差和偏心误差，最后输出系统的轴晃误差。
其中，采用光栅读数头，提取光信号，通过光电转换器件将光信号转换为电信号，经过信号处理和译码，可以测得读数头所测量的实时角度信息。
其中，四个读数头以90度相位差均匀分布在圆光栅周围，四个读数头分别记为读数头H1、读数头H2、读数头H3和读数头H4。
其中，轴系旋转多圈，获取四个读数头分别测量的位置数据，收集记录在数据收集板。
其中，用PC机编写软件程序计算对径安放的两组读数头的均值并记录下来，读数头H1和读数头H3的均值为e13，读数头H2和读数头H4的均值为e24。
其中，均值的计算方法，因为采用的是绝对式圆光栅，不能将两个读数头绝对位置相加除以2，假定计算读数头H1和读数头H3的均值E13，计算方法如下：
如果H1≥H3，e13＝rem((H1+H3)/2,360)；如果H1＜H3，e13＝rem((H1+H3+180)/2,360)，e24计算方式与以上相同。
其中，双读数头可消除垂直于读数头光学中心线的轴系偏移产生的偏心及轴晃误差的分量，将平均值与其中一个读数头测得的位置数据作差，得到x或者y方向的偏心和轴晃的分量。
其中，将e13与H1作差得到x方向的分量，相应的，将e24与H2作差得到y方向的分量。
其中，将得到的分量进行矢量合成，可以得到偏心与轴晃误差的方向和大小。
其中，将偏心与轴晃进行分离，进行傅里叶变换，偏心误差在谐波上占据一阶，滤除一阶谐波部分，将剩下部分进行傅里叶反变换得到随机不重复运动的轴晃误差。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明与其他方法相比测量精度较高。
(2)本发明安装简单，成本较低。
(3)本发明可进行实时监测和检测。
附图说明
图1为圆光栅编码器示意图；
图2为圆光栅编码器测角原理图；
图3为一种通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动及偏心误差的方法流程图；
图4为四读数头分布图；
图5为单读数头实测误差时域分析图；
图6为单读数头实测误差频域分析图；
图7为轴系横向平移示意图；
图8为轴系垂直竖移示意图；
图9为轴系以
偏移示意图；
图10为误差矢量合成示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明一种通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动误差的方法，实现步骤如下：
第一步，使用光电传感读数头装置，安装于主轴光栅上，实时检测光栅转动角度信息，通过接收光电信号，经历译码环节，读出转动角度具体数值，假设为LO，圆光栅编码示意图如图2所示。
第二步，理论推导读数头数量对于误差抑制的能力，假设均匀布置N个读数头，读书头的输出值分别为θi,i＝1,2...N-1,N，轴系旋转的实际角度为θ，因此单个读数头的误差可以表示为：Δθi＝θi-θ。
第三步，将单个读数头的读数误差傅里叶技术展开到M级，则展开后单个读数头误差可以表示为：
推导出N个读数头的误差平均值
最后的表达式为：
由推论上式可以得到，读数头越多所消除的谐波分量越多，两个读数头已经可以消除一阶的谐波分量。根据偏心误差的产生机制，偏心误差随光栅圆环旋转而周期性变化，轴系旋转一周而误差变化一个周期，在误差频谱中表现为一次谐波。
第四步，按照理论推导得知，两个读数头抑制了偏心及轴晃误差，一个读数头的测量数据分析图，如图5所示的单读数头实测误差时域分析和图6所示的单读数头实测误差频域分析，那么将两个读数头测量的均值减去一个读数头未抑制之前的读数就得到轴晃和偏心的误差。
第五步，将四个读数头以90度相位差均匀分布在圆光栅周围，四个读数头分别记为读数头H1、读数头H2、读数头H3和读数头H4，四个读数头在圆光栅四周的分布图如图4所示。
第六步，将轴系旋转多圈，获取四个读数头分别测量的位置数据，收集记录在数据收集板。
第七步，假设读数头H1和读数头H3的均值为e13，读数头H2和读数头H4的均值为e24，使用如下计算公式计算其均值：
第八步，双读数头可消除垂直于读数头光学中心线的轴系偏移产生的偏心及轴晃误差的分量。轴系偏移有几个不同的方向，读数头消除误差的方向分量也不相同。如图7轴系横向平移，上下两个读数头也就是图中所示读数头H1和读数头H3的读数可以相互抵消掉因为此种偏移产生的轴晃及偏心误差，其他两个读数头的测量值不受影响；如图8所示轴系垂直竖移，左右两个读数头也就是读数头H2和读数头H4的读数可以相互抵消因垂直偏移产生的误差，上下两个读数头的测量值不受影响；如图9所示，更多的时候轴系是以一个任意角度偏移，此时上下两个读数头可以抵消掉水平方向产生的误差分量，左右两个读数头可以抵消掉竖直方向产生的误差分量。
第九步，将e13与H1作差得到x方向的分量，相应的，将e24与H2作差得到y方向的分量。
第十步，将得到的分量进行矢量合成，合成示意图如下图10所示，可以得到偏心与轴晃误差的方向和大小。
第十一步，将偏心与轴晃进行分离，进行傅里叶变换，偏心误差在谐波上占据一阶，滤除一阶谐波部分，将剩下部分进行傅里叶反变换得到随机不重复运动的轴晃误差。
Claims (10)
1.一种通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动误差的方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一、将四个读数头H1、H2、H3、H4分别以90度相位分布在圆光栅四周；
步骤二、轴系旋转多圈，用数据收集模块获取四个读数头分别测量的位置数据；
步骤三、在PC机中处理数据，将对径两个读数头的测量值计算均值，用均值计算公式，得到读数头H1和读数头H3的均值为e13，读数头H2和读数头H4的均值为e24；
步骤四、将平均值与其中一个读数头测得的位置数据作差，根据圆光栅双读数头对安装后均值消除轴晃及偏心误差原理，得到轴晃和偏心误差在x方向和y方向的分量；
步骤五、合成分量，得到轴晃和偏心误差方向和大小；
步骤六、根据偏心误差是具有周期重复性，而轴晃是随机不重复的，由此分析差值中重复部分和随机部分分离出轴晃误差和偏心误差，最后输出系统的轴晃误差。
2.根据权利要求1所述的通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动误差的方法，其特征在于，采用光栅读数头，提取光信号，通过光电转换器件将光信号转换为电信号，经过信号处理和译码，可以测得读数头所测量的实时角度信息。
3.根据权利要求1所述的通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动误差的方法，其特征在于，四个读数头以90度相位差均匀分布在圆光栅周围，四个读数头分别记为读数头H1、读数头H2、读数头H3和读数头H4。
4.根据权利要求1所述的通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动误差的方法，其特征在于，轴系旋转多圈，获取四个读数头分别测量的位置数据，收集记录在数据收集板。
5.根据权利要求1所述的通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动误差的方法，其特征在于，用PC机编写软件程序计算对径安放的两组读数头的均值并记录下来，读数头H1和读数头H3的均值为e13，读数头H2和读数头H4的均值为e24。
6.根据权利要求5所述的通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动误差的方法，其特征在于，均值的计算方法，因为采用的是绝对式圆光栅，不能将两个读数头绝对位置相加除以2，假定计算读数头H1和读数头H3的均值e13，计算方法如下：
如果H1≥H3，e13＝rem((H1+H3)/2,360)；如果H1＜H3，e13＝rem((H1+H3+180)/2,360)；e24计算方式与以上相同。
7.根据权利要求1所述的通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动误差的方法，其特征在于，双读数头可消除垂直于读数头光学中心线的轴系偏移产生的偏心及轴晃误差的分量，将平均值与其中一个读数头测得的位置数据作差，得到x或者y方向的偏心和轴晃的分量。
8.根据权利要求7所述的通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动误差的方法，其特征在于，将e13与H1作差得到x方向的分量，相应的，将e24与H2作差得到y方向的分量。
9.根据权利要求1所述的通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动误差的方法，其特征在于，将得到的分量进行矢量合成，可以得到偏心与轴晃误差的方向和大小。
10.根据权利要求1所述的通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动误差的方法，其特征在于，将偏心与轴晃进行分离，进行傅里叶变换，偏心误差在谐波上占据一阶，滤除一阶谐波部分，将剩下部分进行傅里叶反变换得到随机不重复运动的轴晃误差。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910418764.5A CN110081837B (zh) | 2019-05-20 | 2019-05-20 | 一种通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动及偏心误差的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910418764.5A CN110081837B (zh) | 2019-05-20 | 2019-05-20 | 一种通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动及偏心误差的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110081837A CN110081837A (zh) | 2019-08-02 |
| CN110081837B true CN110081837B (zh) | 2021-05-07 |
Family
ID=67420990
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910418764.5A Active CN110081837B (zh) | 2019-05-20 | 2019-05-20 | 一种通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动及偏心误差的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110081837B (zh) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111457837B (zh) * | 2020-04-15 | 2021-11-16 | 大连理工高邮研究院有限公司 | 一种圆光栅及电涡流传感器实时测量转台五自由度运动误差的测量装置 |
| CN113541406B (zh) * | 2020-04-20 | 2023-08-18 | 大族激光科技产业集团股份有限公司 | 一种高精度振镜电机反馈系统及其设计方法 |
| CN112146695B (zh) * | 2020-09-28 | 2022-05-17 | 艾晨光 | 一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法 |
| CN112762969A (zh) * | 2020-12-16 | 2021-05-07 | 北京无线电测量研究所 | 一种圆光栅四读数头数据采集处理系统和方法 |
| CN114839736B (zh) * | 2021-07-30 | 2024-01-02 | 深圳市中图仪器股份有限公司 | 用于降低偏心误差的复合机构和方法 |
| CN113702705B (zh) * | 2021-08-17 | 2024-04-09 | 中国工程物理研究院总体工程研究所 | 一种双轴精密离心机相位同步测量系统及测量方法 |
| CN115355813B (zh) * | 2022-10-21 | 2023-03-24 | 北京科技大学 | 一种高精度三轴无磁测试转台系统 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN206773000U (zh) * | 2017-05-18 | 2017-12-19 | 中国人民解放军92493部队计量测试中心 | 双轴速率位置转台角速率检定装置 |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4033556A1 (de) * | 1990-10-22 | 1992-04-23 | Suess Kg Karl | Messanordnung fuer x,y,(phi)-koordinatentische |
| JPH08210873A (ja) * | 1995-02-06 | 1996-08-20 | Taise:Kk | 可変コンデンサ及びこれを用いた回転角度検出装置 |
| DE59510056D1 (de) * | 1995-11-14 | 2002-03-21 | Knestel Elektronik Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zum Vermessen der Achsen und Radstellungen von Kraftfahrzeugen |
| CN100565276C (zh) * | 2007-12-28 | 2009-12-02 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 检测变焦距镜头视轴晃动的双十字丝分划板及使用方法 |
| US9599456B2 (en) * | 2009-11-26 | 2017-03-21 | Werth Messtechnik Gmbh | Method and arrangement for tactile-optical determination of the geometry of a measurement object |
| CN103162712B (zh) * | 2013-03-21 | 2016-08-10 | 中国人民解放军63908部队 | 圆光栅测角偏差处理及轴系歪斜补偿方法 |
| JP3191531U (ja) * | 2014-04-15 | 2014-06-26 | アルプス電気株式会社 | 位置検出装置 |
| CN103983227B (zh) * | 2014-05-23 | 2016-06-01 | 中国工程物理研究院总体工程研究所 | 一种可分离安装偏心的主轴回转误差测量方法与装置 |
| CN104296643B (zh) * | 2014-09-26 | 2017-06-06 | 中国科学院光电研究院 | 基于分布式读数头的圆分度器件及测角误差补偿方法 |
| CN106482668A (zh) * | 2016-11-21 | 2017-03-08 | 班戈设备系统（苏州）有限公司 | 一种角度高精确度测量系统及测角方法 |
| CN109141225B (zh) * | 2017-06-19 | 2020-11-13 | 河南科技大学 | 基于圆光栅的轴系五、六自由度误差测量方法及测量系统 |
-
2019
- 2019-05-20 CN CN201910418764.5A patent/CN110081837B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN206773000U (zh) * | 2017-05-18 | 2017-12-19 | 中国人民解放军92493部队计量测试中心 | 双轴速率位置转台角速率检定装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110081837A (zh) | 2019-08-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110081837B (zh) | 一种通过利用测角圆光栅及读数头检测轴系晃动及偏心误差的方法 | |
| CN107747931B (zh) | 用于角度编码器自校准的读数头优化布置方法 | |
| CN103063189B (zh) | 基于光杠杆的测角器件检定方法 | |
| KR101829521B1 (ko) | 로터리 인코더를 자기 교정하기 위한 방법 | |
| CN103499365A (zh) | 一种旋转变压器静态和动态测角精度标定装置及方法 | |
| US10627259B2 (en) | Method of determining sub-divisional error of an encoder apparatus configured to measure relative position of relatively moveable parts | |
| EP0111642B1 (en) | Method and apparatus for measuring a displacement of one member relative to another | |
| CN1884979A (zh) | 运动参数测量仪 | |
| CN206773000U (zh) | 双轴速率位置转台角速率检定装置 | |
| CN104634280A (zh) | 通用水平转台绝对角度和旋转角度的测量方法 | |
| Yu et al. | High-resolution angular displacement technology based on varying Moiré figure phase positions | |
| CN203011370U (zh) | 基于光杠杆的测角器件检定装置 | |
| CN102095378B (zh) | 一种光栅线位移传感器 | |
| Alejandre et al. | Method for the evaluation of optical encoders performance under vibration | |
| CN102564308B (zh) | 干涉式高密度圆光栅偏心检测装置 | |
| CN102650535A (zh) | 一种消除震动对增量式光学编码器测量影响的方法 | |
| CN2872297Y (zh) | 基于图像法的大直径非接触式测量仪 | |
| RU83133U1 (ru) | Шпиндельный узел | |
| CN103063165B (zh) | 光电角度传感器 | |
| CN102564355B (zh) | 干涉式高密度圆光栅偏心检测方法 | |
| Hou et al. | Detection and compensation of installation eccentricity of photoelectric encoder based on double highpass filter | |
| CN113063450B (zh) | 编码器中传感器位置调整方法、装置、设备及存储介质 | |
| Barinova et al. | A method and the results of investigating the random error of an optical angle encoder | |
| CN211234298U (zh) | 一种基于合作目标光栅的主轴径向回转误差测量装置 | |
| CN110617778B (zh) | 一种基于复光束角度传感器的大型非球面形貌检测方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |