CN113188491B - 一种基于位移传感器的旋转台转轴误差测量与校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于位移传感器的旋转台转轴误差测量与校正方法。本发明测量方法为：1)将标准件固定于旋转台的旋转面上，并设置N个固定不动的位移传感器；2)控制旋转台转动，进行一次转台旋转以进行校准测量，根据测量记录校准时旋转角为θ时的轴端点位置和校准时旋转角为θ时的位移传感器测量值计算得到相同旋转角度时恒定不变的误差部分f(ε_θ)；其中，c_θ为旋转角为θ时的校准参数；3)控制旋转台转动，记录各位移传感器的实时测量值然后根据计算得到轴端点位置根据确定转轴误差。

Description

一种基于位移传感器的旋转台转轴误差测量与校正方法

技术领域

本发明涉及旋转台转轴偏差校准方法，尤其涉及一种基于位移传感器的转轴误差测量与校正的方法。

背景技术

旋转台是机械仪器的主要组成部分，为测量、加工、控制等设备提供了旋转运动的功能，在机密机械制造、光学分析、CT成像等领域都有着重要的应用。由于受到机械加工、组装精度、热变形等因素的影响下，旋转台在运动时不可避免地存在着不同程度的转轴偏差，对于机械设备运动精度有着重要的影响。因此转轴偏差的测量，对转台设备的选择以及设备运动误差的分析以及精度的提高都有重要意义。另一方面高精度地测量转台偏差能够用于转台误差的校正。高精度的转台，对机械设计加工、安装以及运行环境都有着严苛的要求，成本高昂难以广泛应用，并且转轴的旋转精度受机械原理的限制提高十分困难。而通过如包括电容传感器，激光干涉位移传感器，百分表等位移传感器高精度地测量转台偏差，并对旋转偏差进行补偿，能够突破机械加工精度的限制，由于目前电容位移传感器以及激光干涉位移传感器的测量精度都能够达到纳米级别，通过这种方法使用较低精度的转台就能实现很高精度的旋转运动。

旋转运动偏差的测量方式主要有两大类：一类是直接测量法，如图1所示这种方法在旋转台上安装标准件(一般为圆柱，圆盘或球等轴对称几何体)，并使用位移传感器测量转台旋转时标准件表面的偏移，可以计算出旋转台的运动偏差。由于所测量得到的偏移包含了标准件的面形以及安装误差，这种方法要求标准件的安装精度以及形状精度要比所需的转台偏差的测量精度要高一个等级。这种方法通常只能达到较低精度，并不适用于高精度的测量。

另一类高精度的旋转位移测量方法为误差分离测量法。这种方法也是通过对旋转台上安装的标准件表面进行测量，与直接测量法一样，这样测量结果会引入标准件的形状误差、安装误差等，影响旋转误差的测量精度，不同的是误差分离测量法使用特殊的传感器放置方式或特殊的测量步骤，根据测量量间的数学关系进行处理，并将标准件引入的形状误差、安装误差与从测量量中分离，从而得到准确的转轴偏差。测量转轴误差的比较常见的方法主要是反转法，如图2(a)所示反转法与直接测量法一样使用位移传感器对标准件进行一次旋转测量，然后再将标准和位移传感器同时旋转180度再进行一次旋转测量，根据两次测量结果可以同时解出转轴偏差以及标准件引入的形状误差、安装误差等误差。此外，误差分离方法还有多步法以及多点法等。然而这些方法都有一定的局限性，反转法和多步法的测量过程都需要将标准件以及位移传感器相对于旋转台进行一次或多次旋转，测量过程复杂，不适合实时在线测量，此外，额外的旋转操作也容易引入旋转角度等额外误差。而多点法通过增加多个测量传感器进行测量，能够进行实时测量，但是其分离算法会存在难以避免的谐波误差。

以上转轴误差测量方法所存在的问题限制了旋转轴误差测量与校正的精度与应用范围。

发明内容

针对现有旋转轴测量校正技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于位移传感器的转轴测量方法，只要对标准件的面形与装配误差进行一次性校准后，就能够实现较为简便地对旋转轴端点偏差进行高精确度的实时测量并用于对转轴的校正。

本发明是通过以下技术方案实现的：

步骤1：将标准件(如圆柱，圆盘或球等通常为轴对称形状的标准件)固定于旋转台的旋转面上，并设置N个固定不动的位移传感器用于检测标准件的位置变化。由于使用的是轴对称形状的标准件，转轴端点的位置与位移传感器间距的函数关系P与旋转台旋转角θ无关(转轴端点是旋转台在旋转时希望使转轴上保持不动的点，例如旋转台上样品所处的点；转轴校准即是为了保持这一点在转台旋转时空间位置保持不变)。若标准件无位形误差的理想情况下，根据几何关系可以得到转轴端点位置与位移传感器测量值的函数关系：

p＝f(s) (1)

其中，p＝(x_p,y_p,z_p)为转轴端点的位置，s＝(s₁,s₂...s_N)为N个位移传感器的测量值，S_N为第N个位移传感器的测量值。若考虑旋转角为θ时N个位移传感器测量点处的标准样品(标准件)的位形误差向量为ε_θ＝(ε₁,ε₂...ε_N)，则式(1)可以改写得到：

p_θ＝f(s_θ-ε_θ) (2)

ε_N为第N个位移传感器测量点处的标准件的位形误差；若f为线性函数，则式(2)可以写为：

p_θ＝f(s_θ)-f(ε_θ) (3)

其中，f(ε_θ)部分是面形误差以及装配误差等原因所造成的转轴端点位置与传感器计算出转轴端点位置的偏差，可以认为不随时间改变，每次旋转时保持不变，而f(s_θ)是由位移传感器的测量值s_θ所计算得到的理想情况下转轴端点位置，由于旋转轴的偏差不具有重复性，因此，每次旋转到同一角度时旋转轴的偏差都不同，这样移传感器的测量值也随着旋转轴的偏差的不同而不同。这就将轴端位置p_θ分解为恒定不变的误差部分f(ε_θ)，以及每次旋转时不同的误差部分f(s_θ)。

步骤2：进行一次性校准，并记录校准参数。

由式(3)可知，计算轴端位置p_θ需要知道ε_θ以及s_θ，s_θ是位移传感器测量值可以直接得到，但是ε_θ难以直接进行较高精度的测量，由于f(ε_θ)是不变量，因此这里可以进行一次转台旋转以进行校准测量，通过测量记录校准时的轴端点位置和位移传感器值/>计算得到的f(ε_θ)以供实际在线实时测量时使用。由于校准时不需要测量方法的实时性，可以根据实际情况使用反转法等非实时测量方式或者使用光学测量方法进行轴端位置/>的测量。

校准具体过程是控制转台进行旋转运动，在旋转角为θ时，进行轴端位置的测量，同时获取位移传感器的测量值/>由式(3)可以得到：

这里通过一次性的校准可以得到不同角度θ时的与/>然后通过式(4)得到旋转角为θ时的校准参数c_θ。

步骤3：进行在线测量时可以只要根据步骤2中测量所得到的校准值c_θ以及实时测量得到的旋转角为θ时的实时测量值代入式(3)与式(4)计算得到在线测量时旋转角为θ时的轴端点位置/>

是轴端点位置，若/>不随转角变化，则判定没有转轴误差，如果得到的/>随旋转变化，那么变化值为转轴误差并根据转轴误差对旋转台转轴进行校正。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本测量方法较直接测量法考虑了标准件的面型以及安装误差，相较于直接测量法其测量误差不受限与标准件的精度。并且其测量应用简便，不需要标准件或者位移传感器相对于旋转台进行运动，在一次性校准后便能够进行实时测量，并且精度较高不存在多点法中存在的谐波误差。

附图说明

图1为直接测量法转轴校正原理；

(a)为三位移传感器直接测量法转轴校正原理；

(b)为五位移传感器直接测量法转轴校正原理。

图2为反转法测量法转轴校正分为两步；

(a)为转台旋转一周，记录位移传感器在不同转角的测量值；

(b)为将标准件与位移传感器相对于转台旋转180度，将转台再旋转一周记录位移传感器的测量值。

图3为基于圆盘标准件的转轴校正装置侧视图；

图4为基于圆盘标准件的转轴校正装置位移传感器安装方式。

具体实施方式

下面以一个具体的例子对本发明进行描述。

如图3所示，本发明实施例采用固定在转台上的一个半径为R的圆盘作为标准件进行测量，并采用5个位移传感器(S1～S5)对标准件位置进行测量。5个位移传感器如图4所示安装，S1～S3以120度为间隔，其中S1位于y轴上，安装在圆盘底面以r为半径的圆周上，S4与S5间隔90度安装在圆盘标准件侧面，S4与S5分别处于y轴、x轴上。圆盘底面距离转轴端点垂直距离为h。根据转轴端点位置p与传感器S1～S5的测量值s＝(s₁,s₂,s₃,s₄,s₅)的几何关系可以将式(1)写为：

显然f是关于s的线性函数，此时式(3)是成立的，轴端位置p_θ可以分解为恒定不变的部分f(ε_θ)与每次旋转都不同的部分f(s_θ)之和，其中恒定不变的部分f(ε_θ)可以通过一次性校准进行标定。

在校准时可以在转轴端点上放置一个针尖，旋转转台一周并在每个旋转角θ位置使用光学成像设备在x，y两个方向对针尖的三维位置进行测量得到并得记录5个位移传感器校准时旋转到θ位置时的测量值/>根据式(4)能够计算得到校准参数：

进行一次性的标定得到校准参数后，进行在线测量时就可以根据式(5)以及位移传感器的测量值进行转轴端点位置的计算。

对于X射线CT成像中转轴校正等应用，由于沿X射线传播方向的转轴偏差对成像结果基本没有影响，所以我们可以仅对转轴在垂直X射线传播方向的转轴偏差进行校正，此时，可以将位移传感器全部布置在一个垂直X射线传播方向的平面内，减少位移传感器的使用数量，最少可以仅使用3个位移传感器。此外，对于此类应用，在校准过程中将针尖等标准样品放置于转轴端点处，可以直接利用X射线成像功能，获取转轴端点位置以计算校准参数。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (3)

1.一种基于位移传感器的旋转台转轴误差测量方法，其步骤包括：

1)将标准件固定于旋转台的旋转面上，并设置N个固定不动的位移传感器，用于检测标准件的位置变化；其中转轴端点位置与位移传感器测量值的理想函数关系f为线性函数；所述标准件为半径为R的圆盘；采用5个位移传感器S1～S5对标准件位置进行测量；位移传感器S1～S3以120度为间隔，安装在圆盘底面以r为半径的圆周上，位移传感器S4、S5间隔90度安装在圆盘侧面；圆盘底面距离转轴端点垂直距离为h；函数关系S_i为第i个位移传感器测量得到的第i个位移传感器距离所述圆盘表面的距离，i＝1～5；

2)控制旋转台转动，进行一次转台旋转以进行校准测量，根据测量记录校准时旋转角为θ时的轴端点位置和校准时旋转角为θ时的位移传感器测量值/>计算得到相同旋转角度时恒定不变的误差部分f(ε_θ)；其中，/>c_θ为旋转角为θ时的校准参数；

3)再次控制旋转台转动，记录各位移传感器旋转角为θ时的实时测量值然后根据计算得到旋转角为θ时轴端点位置/>根据/>确定转轴误差。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位移传感器包括电容传感器、激光干涉位移传感器、百分表。

3.一种基于位移传感器的旋转台转轴校正方法，其特征在于，基于权利要求1所述方法得到的变化值确定转轴误差，然后根据所述转轴误差对旋转台转轴进行校正。