申请/专利权人：中国科学院光电技术研究所

申请日：2019-05-20

公开（公告）日：2021-05-07

公开（公告）号：CN110081837B

主分类号：G01B11/26(20060101)

分类号：G01B11/26(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.05.07#授权;2019.08.27#实质审查的生效;2019.08.02#公开

摘要：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。

主权项：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。

全文数据：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＝remH1+H32,360；如果H1＜H3，e13＝remH1+H3+1802,360，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。

权利要求：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。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＝remH1+H32,360；如果H1＜H3，e13＝remH1+H3+1802,360e24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。

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