CN112902877A - 非对径安装双读数头圆光栅测角误差修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非对径安装双读数头圆光栅测角误差修正方法，首先，构建用于修正圆光栅测角误差的测量结构，此结构包括圆光栅、两个读数头，圆光栅安装在回转轴上，两个读数头以非对径安装方式安装在圆光栅的两侧；然后将回转轴旋转一周，采集圆光栅盘上两读数头的读数；接着，根据前步所采集到的数据按照公式拟合出圆光栅安装偏心参数；最后，将拟合得到的圆光栅安装偏心参数代入到误差修正公式中，即可得到修正后角度测量值。本发明使用非精确对径安装的双读数头对圆光栅的偏心误差进行修正，相对于传统的均值法，使用本发明方法能够大幅提高测角精度。

Description

非对径安装双读数头圆光栅测角误差修正方法

技术领域

本发明属于精密测量领域，具体涉及非对径安装双读数头圆光栅测角误差修正方法。

背景技术

实时精确地获取仪器、机床、机器人等设备的旋转运动角位移信息是实现精密测量和加工的关键之一。圆光栅是最常用的高精度角位移传感器，广泛应用于多种精密仪器设备中。在测量精度要求较高时，由圆光栅安装偏心引起的测角误差是不能忽略的,即使是很小的安装误差都会造成很大影响。因此，对圆光栅安装偏心引起的测角误差进行修正是非常有必要的。

艾晨光等人研究了圆光栅安装偏心引起的测角误差，并采用双读数头对测角误差进行修正。郭阳宽等人研究了运动偏心对圆光栅测量影响的分析方法，推导了由于偏心引起的测角误差补偿公式。唐松等人分析了安装偏心对圆光栅测角精度的影响，提出了一种两个读数头对径安装读数头的补偿方法。王文等人分析了圆光栅分度盘的安装偏心对角度测量的影响，提出了一种基于模拟退火算法角度传感器偏心参数辨识方法并将其用于测量关节圆光栅12个偏心参数的辨识和修正。王园等人建立了圆光栅偏心误差模型，提出了一种双读数头平均误差补偿方法，对读数头误差进行修正。以上方法主要是采用多读数头的方法对圆光栅安装偏心引起的测角误差进行修正补偿，能够有效对测角误差进行补偿修正，但是对读数头安装精度要求较高。当安装角误差大于一度时，以上方法无法有效消除安装偏心对测角精度的不利影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种非对径安装双读数头圆光栅测角误差修正方法，提高测角精度，突破读数头对径安装的限制，提高了仪器设备在结构设计时的自由度。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种非对径安装双读数头圆光栅测角误差修正方法，包括以下步骤：

步骤一，构建用于修正圆光栅测角误差的测量结构，此结构包括圆光栅和两个读数头，圆光栅安装在回转轴上，两个读数头以非对径安装方式安装在圆光栅的两侧；

步骤二，设O₁为读数头扫描回转中心，O为圆光栅的回转中心，C、D分别表示所安装的两个读数头，OD连线过圆光栅的零位线，以OD为X轴建立直角坐标系，OO₁为偏心距e，∠O₁OD为偏心角ω，θ_i为圆光栅的旋转角度，θ_1i、θ_2i分别为读数头C和读数头D的测量角度，两个读数头的安装角度均为

将回转轴旋转一周，采集两个读数头的读数；

步骤三，利用步骤二中两个读数头采集的数据θ_1i、θ_2i，按照式(1)拟合出圆光栅安装偏心参数：偏心距e、偏心角ω和读数头的安装角度

式(1)中R为圆光栅的半径；

步骤四，将步骤三中拟合出的圆光栅安装偏心参数代入到式(2)中，即可得到修正后的角度测量值

式(2)中R为圆光栅的半径。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提出了一种新的误差补偿方法，可使用非精确对径安装的双读数头对圆光栅的偏心误差进行修正，相对于传统的均值法，使用本发明方法能够大幅提高测角精度。本发明方法一方面可以减小对径安装误差对测量结果的不利影响；另一方面突破了读数头必须对径安装的限制，提高了仪器设备在结构设计时的自由度。

附图说明

图1为本发明所述方法的流程示意图；

图2为本发明中用于修正圆光栅测角误差的测量结构示意图；

图3为本发明所述方法的原理图；

图4为实施例中仿真实验中使用的圆光栅刻划误差；

图5为仿真实验中读数头Ⅰ使用的随机误差；

图6为仿真实验中读数头Ⅱ使用的随机误差；

图7为读数头无安装误差时，补偿前两个读数头测角误差的仿真实验结果；

图8为读数头无安装误差时，不同修正方法补偿后读数头测角误差的仿真实验结果；

图9为读数头安装误差为4°时，补偿前两个读数头测角误差的仿真实验结果；

图10为读数头安装误差为4°时，不同修正方法补偿后读数头测角误差的仿真实验结果；

图11为读数头安装误差在1°-9°变化时，采用本发明所述方法补偿后的读数头测角误差变化量；

图12为读数头安装误差为1°-9°变化时，采用常规的均值法补偿后的读数头测角误差变化量；

图中标记：1、读数头Ⅰ；2、读数头Ⅱ；3、圆光栅。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护范围。

参照附图所示，一种非对径安装双读数头偏心测角误差修正方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：构建如图2所示的用于修正圆光栅测角误差的测量结构，此结构包括圆光栅3和读数头Ⅰ1和读数头Ⅱ2，其中圆光栅3安装在轴系的回转轴上，读数头Ⅰ1和读数头Ⅱ2不是精确的对径安装。

步骤二：由于两读数头存在安装偏心误差，所以两读数头读数存在差异，需要对测量结果进行修正。修正方法的原理如图3所示，设O₁为读数头扫描回转中心，即轴系回转中心，O为圆光栅的回转中心，C、D为两读数头安装的安装位置，在图3中表示两个读数头，OD连线为过圆光栅的零位线，以OD为X轴建立直角坐标系,OO₁为偏心距e，∠O₁OD为偏心角ω，θ_i为光栅的旋转角度，θ_1i、θ_2i为读数头C、D的测量角度，两个读数头安装角度为

将回转轴旋转一周，采集圆光栅上两个读数头的读数。

步骤三：利用步骤二采集的读数头的读数，按照下式拟合出圆光栅安装偏心参数：偏心距e、偏心角ω和读数头的安装角度

步骤四：将步骤三拟合出的圆光栅安装偏心参数代入到以下的误差修正公式中，即可得到修正后角度测量值

上述两个式子中，R为圆光栅的半径。

为了验证本发明所述方法的正确性，下面对此方法进行了数字仿真，为了更接近实际，在仿真实验中引入了圆光栅刻划误差及随机误差。图4所示为仿真实验中使用的圆光栅刻划误差，图中标出了读数头Ⅰ1、读数头Ⅱ2分别用到的刻线误差区段。图5、图6为叠加在读数头读数头Ⅰ、读数头Ⅱ测量结果上的随机误差。

如图2、3所示，设偏心距e＝10μm,圆光栅半径R＝26mm，偏心角ω＝60°，以读数头读数头Ⅰ1为例，读数头Ⅰ1的安装误差从0°到9°变化，间隔1°为一组，共做10组实验，变化后读数头Ⅰ1位置如图2中虚线部分。在这个试验条件下，当读数头读数头Ⅰ1安装误差为9°以上时，补偿后的测角误差将大于1.5″,认为不能满足精密测角的需要，故不再继续试验。

实验结果显示，两读数头安装误差逐渐变大的情况下，补偿后测角误差曲线形状基本一致，但幅值逐渐增大。图7、8所示为读数头安装误差为0°(即无安装误差)时，测角误差补偿前后的仿真实验结果。图9、10所示为读数头安装误差为4°时，测角误差补偿前后的仿真实验结果。图11、12是两读数头安装误差为1°～9°时，采用不同修正方法，补偿后测角误差相对于安装误差为0°时补偿后测角误差的变化量。图中的“补偿”和本文中“修正”表示的含义相同，图中所述“新方法”即为本发明所述的方法。

从以上实验中可知，当安装误差在9°以内时，利用新方法补偿后的测角误差均不超过1.5″；而采用常规的双读数头均值法在安装误差≥2°时补偿后测角误差已大于1.5″，在一些精密测量条件下已不能满足要求。其中,当安装误差为4°时，利用新方法补偿后的测角误差为0.720″；而双读数头均值法补偿后测角误差为1.785″。

由此可知，本发明所述方法相较于现有技术的均值法可以大幅提高测角精度，减小对径安装误差对测量结果的不利影响，而且采用读数头的非对径安装，可以突破目前修正方法中读数头必须对径安装的限制，提高了仪器设备在结构设计时的自由度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.非对径安装双读数头圆光栅测角误差修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，构建用于修正圆光栅测角误差的测量结构，包括圆光栅和两个读数头，圆光栅安装在回转轴上，两个读数头以非对径安装方式安装在圆光栅的两侧；

步骤二，设O₁为读数头扫描回转中心，O为圆光栅的回转中心，C、D分别表示所安装的两个读数头，OD连线过圆光栅的零位线，以OD为X轴建立直角坐标系，OO₁为偏心距e，∠O₁OD为偏心角ω，θ_i为圆光栅的旋转角度，θ_1i、θ_2i分别为读数头C和读数头D的测量角度，两个读数头的安装角度均为

将回转轴旋转一周，采集两个读数头的读数；

步骤三，利用步骤二中两个读数头采集的数据θ_1i、θ_2i，按照式(1)拟合出圆光栅安装偏心参数：偏心距e、偏心角ω和读数头的安装角度

式(1)中R为圆光栅的半径；

步骤四，将步骤三中拟合出的圆光栅安装偏心参数代入到式(2)中，即可得到修正后的角度测量值

式(2)中R为圆光栅的半径。

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