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一種新穎簡單 成本低四自由度角索引校準(zhǔn)的精密轉(zhuǎn)臺技術(shù) W Jywe a C J Chenb W H Hsieha P D Linb H H Jwoa T Y Yanga 摘要 標(biāo)定一個角旋轉(zhuǎn)工作臺 無論是高精度的標(biāo)準(zhǔn)還是相關(guān)的光學(xué)激光干涉儀一般使 用成本都非常高 本文建立了一個新穎 簡單 低成本的技術(shù)來校準(zhǔn) 4 度 的自由度 自由度 誤差 由使用一個可以旋轉(zhuǎn)一整圈 360 三角位置誤差和一個線性位置誤差 一個參考回轉(zhuǎn)工作臺 一個 1 維 1D 光柵和兩個 2 二維 2D 的位置感應(yīng)探測器 PSD 的 利用這種技術(shù) 沒有使用高度準(zhǔn)確參考轉(zhuǎn)盤 但是測試是具有良好的重復(fù) 性 經(jīng)過兩個大圈的測試 無論是目標(biāo)轉(zhuǎn)臺的四自由度誤差和參考轉(zhuǎn)盤可以測得 系統(tǒng) 校準(zhǔn) 穩(wěn)定性測試 系統(tǒng)測試驗證和完整圓的測試的完成 該系統(tǒng)的角度穩(wěn)定性小于 2 弧秒 而位移穩(wěn)定性小于 1 2 毫米 2007 埃爾塞維爾有限公司保留所有權(quán)利 關(guān)鍵詞 旋轉(zhuǎn)表校準(zhǔn) 全循環(huán)試驗 光柵 位置傳感探測器 4 自由度測量 誤差分離 1 簡介 回轉(zhuǎn)工作臺是經(jīng)常用于有關(guān)工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)床 三坐標(biāo)測量機(jī)和組裝線 因此 轉(zhuǎn) 盤校準(zhǔn)非常重要 該轉(zhuǎn)盤校準(zhǔn)要求角度測量儀 與傳統(tǒng)儀器是旋轉(zhuǎn)編碼器 激光干涉儀 的自準(zhǔn)直儀測量精確程度 一個旋轉(zhuǎn)編碼器是常用的索引中測量工具 例如 一對多軸 轉(zhuǎn)臺機(jī)床 機(jī)器人的關(guān)節(jié) 機(jī)器主軸工具和滾珠絲杠索引 然而 旋轉(zhuǎn)編碼器只對誤差 的測量適當(dāng) 激光干涉儀經(jīng)常被用來衡量一個小角 但它只能測試過程中獲取一個索引 誤差 一個自準(zhǔn)直儀是經(jīng)常用于測量小角度 它可以應(yīng)用到兩個二維 平面 測角 俯 仰誤差和仰角誤差 但其測量范圍小 而且它要求有一個標(biāo)準(zhǔn)的多棱鏡 旋轉(zhuǎn)臺有 6 個自由度誤差 三線性位置誤差和 3 個角位置 誤差 但是傳統(tǒng)儀器只能測量任一維 1D 誤差或 2D 的誤差 該一個轉(zhuǎn)盤完整的校準(zhǔn)過程需要 360 自由度測量一大圈 但 此測量技術(shù)測量時大多數(shù)測量系統(tǒng)范圍小于 10 因此 激光測量范圍干涉儀和自準(zhǔn) 直儀的測量范圍時不夠的 而且他們非常昂貴 傳統(tǒng)的校準(zhǔn)技術(shù)在轉(zhuǎn)盤校準(zhǔn)時需要一個 完整的圓 360 一個參考轉(zhuǎn)盤 它必須具有較高的準(zhǔn)確度和高重復(fù)性 作者引用旋轉(zhuǎn)表 的誤差相對測量結(jié)果便可以被忽略 該儀器通常被記錄一次 當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn) 旋轉(zhuǎn)的參考轉(zhuǎn)盤逆時針旋轉(zhuǎn) 一般來說 一個旋轉(zhuǎn) 360 表一整圈校準(zhǔn)記錄需要 36 此 即測量系統(tǒng)采樣周期 10 如果經(jīng)過一個更完整的測試實施 那么校準(zhǔn)過程將需要更長 的時間 一般來說 旋轉(zhuǎn)表包括的誤差 擺動誤差和偏心率 但是傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)表校準(zhǔn)技術(shù) 激光干涉儀或自動準(zhǔn)直器 只校準(zhǔn)索引誤差和擺動指數(shù)誤差 然而 高精確度旋轉(zhuǎn)表 必須校準(zhǔn)的更多細(xì)節(jié) 通過完整的旋轉(zhuǎn)表校準(zhǔn) 旋轉(zhuǎn)臺的誤差可以補(bǔ)償 在本文中 旋 轉(zhuǎn)表中的誤差六自由度定義 即三個線性位置誤差和三個角位置誤差 近年來 測角技術(shù)已是重點的干涉方法 1992 年 黃 等 建立了小角度測量系統(tǒng) 這是基于在一個玻璃內(nèi)部邊界反射效果和菲涅耳定律 在黃的制度 分辨率為 0 2 弧秒 測量范圍為 3 弧秒 1996 年 小麗等人 建立了一個二維小旋轉(zhuǎn)角度測量系統(tǒng) 使用 兩種不同并行干擾模式 畫中畫 這些正交對方 對小麗的體系標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0 6 弧秒 在接下來的一年小麗等 改進(jìn)他們的系統(tǒng) 以便其分辨率為 0 2 弧秒 測量范圍為 30 弧分 1997 年 邱等人 建立了一種改進(jìn)的角測量技術(shù)與分辨率 0 333 弧秒 測量范圍 為 5 6 在其最佳性能 系統(tǒng)的分辨率 0 288 弧秒 1998 年 周 蔡 8 建立了一 個角度測量技術(shù) 它是根據(jù) 2005 年第 09 全內(nèi)反射效應(yīng)和外差干涉 系統(tǒng)的分辨率優(yōu)于 0 3 弧秒這取決于所選指數(shù)折射 1998 年 還 等 建立了測角基法在內(nèi)部的反射效 果 即使用了一個直角棱鏡 他們表明 角度測量與 500 弧分范圍 非線性誤差 0 1 而 0 1 弧秒分辨率可隨時實現(xiàn) 1999 年 郭等人開發(fā)了一種光學(xué)小角度測量 方法的基礎(chǔ)上表面等離子體共振 SPR 和測量分辨率 0 2 弧秒 達(dá)到了實驗 2003 年 葛 和麥克開發(fā)了一種在此角度測量技術(shù)分析的基礎(chǔ)上的條紋相位測量輪廓 測量范圍 為 2160 弧秒 并從線性偏差優(yōu)于 0 02 弧秒 2004 年 邱等人 開發(fā)了一種小角度 測量使用多個總外差干涉內(nèi)部分析 而角分辨率優(yōu)于 0 454 弧秒在測量范圍 1 12 2 12 得以在 20 以內(nèi)的數(shù)值 大多數(shù)角度測量技術(shù)的研究重點在 1D 角度測量 干涉角度測量和 2D 干涉測量技術(shù) 但是 昂貴而復(fù)雜的干涉系統(tǒng) 不能被廣泛用于工業(yè) 因此 成本低 多自由度測量系 統(tǒng)在轉(zhuǎn)臺校準(zhǔn)時是非常重要的 位置傳感探測器 位置感應(yīng)探測器 可用于測量旋轉(zhuǎn)部 分誤差 回轉(zhuǎn)體零件的速度 旋轉(zhuǎn)方向扶輪的一部分角位置和誤差 Jywe 等 采用兩 種位置傳感器和一個反射光柵測試轉(zhuǎn)臺的性能 但其測量范圍非常小 11 沒有完整 的圓試驗來提供整個圓的測量 然而 對于一般轉(zhuǎn)盤校準(zhǔn)的 360 整圈的測試是必要的 這兩個文件描述了一個 4 自由度測量系統(tǒng)的建設(shè)并建立一種新的技術(shù)轉(zhuǎn)盤一圈測試 四 自由度系統(tǒng) 本文提出包括一維反射光柵 一個激光二極管 四個位置傳感器及一個參 考回轉(zhuǎn)工作臺 干涉儀和自準(zhǔn)直儀是常用的轉(zhuǎn)臺測量系統(tǒng) 然而 在轉(zhuǎn)臺校準(zhǔn)過程中 激光干涉儀 和自準(zhǔn)直儀分別需要高精確度參考轉(zhuǎn)盤和一個多棱鏡 因此 使用激光干涉儀或自準(zhǔn)直 儀進(jìn)行校準(zhǔn)回轉(zhuǎn)工作臺是昂貴的 此外 在提出的方法 沒有高準(zhǔn)確的參考轉(zhuǎn)盤 但具有良好的重復(fù)性是必要的 即使索引誤差和幾何誤差參考轉(zhuǎn)盤大 他們將獲得所提 出的方法 2 四自由度測量系統(tǒng) 在這個文件中 四自由度測量系統(tǒng)包括一個參考回轉(zhuǎn)工作臺 一維光柵 一個激光二極 管 傳感器 反射光柵和兩個處理器 一個 A D 卡和一臺個人電腦 PC 圖 1 給出 了電路圖 該參考轉(zhuǎn)盤被放置在目標(biāo)旋轉(zhuǎn) 然后一維光柵上由夾具回轉(zhuǎn)工作臺安裝表 激光二極管和位置傳感器被放在光柵的附近 從激光束激光二極管是一維光柵投影到一 維光柵 然后產(chǎn)生了許多衍射光束 在這個文件中 1 和 1 級衍射光束被使用 兩個 傳感器被用來檢測衍射光束 一般來說定義在轉(zhuǎn)臺的六幾何誤差 即三個線性位置誤差 和三個角位置誤差 在此外 還有之間的光柵和偏心軸的轉(zhuǎn)盤 這是因為 Dx 和 Dy 定義 3 應(yīng)全面圈測試模型 大多數(shù)儀器的測量范圍為小于 10 所以一個完整的校準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤需要一種特殊的方法 在正常轉(zhuǎn)臺校準(zhǔn) 自準(zhǔn)直儀使用一個多邊形鏡子和激光干涉儀并且使用一個參考回轉(zhuǎn)工 作臺 在這試驗中 該技術(shù)還需要一個參考旋轉(zhuǎn)表 但參考轉(zhuǎn)盤要求測試參考旋轉(zhuǎn)臺的 誤差必須可重復(fù)的 1994 年 林建立了一個轉(zhuǎn)盤校準(zhǔn)技術(shù) 它可以測量索引誤差為 360 的整圈回轉(zhuǎn)工作臺 然而 該技術(shù)只能單次測量誤差 因此 一個改良的方法是 成立于本節(jié) 當(dāng)旋轉(zhuǎn)的誤差參考表進(jìn)行了審議 對旋轉(zhuǎn)的幾何誤差表是 其中 z 是目標(biāo)指數(shù)之間的差異旋轉(zhuǎn)表和參考表 并累計在不同的校準(zhǔn)程序 這 x y x y 和 z 不累積 因為一整圈測試需要兩個試驗中 目標(biāo)轉(zhuǎn)盤和參 考轉(zhuǎn)盤重復(fù)性一定要做好 否則測量結(jié)果將不會重復(fù) 該校準(zhǔn)技術(shù)的基本要求是 目標(biāo)下校準(zhǔn)可旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)作為參考不同方向旋轉(zhuǎn)相同的步 長 即對順時針和逆時針的比較 每個部門根據(jù)測試表進(jìn)行了比較與每一個部門的參考 以建立第一組數(shù)據(jù) 例如 有一個轉(zhuǎn)盤進(jìn)行了測試 12 點左右 360 角位置 即 0 30 60 330 這是等距離的目標(biāo)轉(zhuǎn)盤和參考轉(zhuǎn)盤分割 同時在測試開始后 的第一個目標(biāo)轉(zhuǎn)盤和參考轉(zhuǎn)盤 分別定為 0 第一組數(shù)據(jù)是由個人電腦所提取 然后 目標(biāo)旋轉(zhuǎn)工作臺順時針旋轉(zhuǎn) 30 和參考旋轉(zhuǎn)工作臺逆時針旋轉(zhuǎn) 30 第二組數(shù)據(jù)由個人 電腦所提取 從上面的實驗過程中 可以得出以下關(guān)系 其中 z1n 是第一組角讀數(shù)和 N 是超過 360 增量 zt1 下標(biāo) t 象征目標(biāo)轉(zhuǎn)盤 下標(biāo)為 r 是指參考轉(zhuǎn)盤的誤差 在第二次測試的一圈中 再次將目標(biāo)轉(zhuǎn)盤和參考轉(zhuǎn)盤設(shè)置為 0 參考旋轉(zhuǎn)工作臺 例如 30 后參考旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)工作臺 樣品采取的第一套 然后 目標(biāo)旋轉(zhuǎn)工作臺順 時針旋轉(zhuǎn) 30 參考旋轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn) 30 反順時針再次采樣 從上面的實驗過程中 第 二次測試的結(jié)果令人滿意 然后 整理轉(zhuǎn)動的關(guān)系 可以得出 其中 z2n 是第二組角讀數(shù)和 N 是超過 360 的增量 測量兩組數(shù)據(jù)可以被重新安 排如下 4 實驗結(jié)果與討論 在這個文件中 對 4 自由度計量校準(zhǔn)系統(tǒng) 系統(tǒng)穩(wěn)定性 系統(tǒng)驗證和全圓測試的完 成 系統(tǒng)的照片如圖 2 所示 組件圖 2 中沒有顯示附上通過臺式 PC 連接到位置感應(yīng)探測 器的信號 處理器 A D 卡 該元件的規(guī)格分別列在表 1 4DOF 試驗系統(tǒng) 4 1 系統(tǒng)校準(zhǔn) 系統(tǒng)校準(zhǔn)是第一個實驗 在這實驗中 用自準(zhǔn)直儀波特角位置提供參考 其測量范 圍為 410 弧秒 分辨率為 0 02 弧秒 精度為 0 5 弧秒 圖 3 a 給出了校準(zhǔn)結(jié)果 圖 3 b 中給出了系統(tǒng)不確定性的標(biāo)準(zhǔn)差 在整個校準(zhǔn)過程中 顯然 良好的 z 線性和的 z不確定度約為 1 5 弧秒 角位置 z 的 4 自由度測量測量范圍約為 1 因為幾乎所有的測量位置感應(yīng)探測器的范圍應(yīng)用 4 2 系統(tǒng)的穩(wěn)定性試驗 系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗是第二次實驗 系統(tǒng)通過系統(tǒng)實驗室條件下正常的平衡狀態(tài) 即無 特殊溫度或振動隔離 允許穩(wěn)定性進(jìn)行了評價 然后連續(xù)記錄為 4000 秒的輸出信號圖 4 表明 原型系統(tǒng)的基本是穩(wěn)定合理的 即沒有特殊的隔離或過濾依然在 1 2 毫米 x y和 z 在 4000s內(nèi) 1 5 弧秒 4 3 系統(tǒng)驗證 系統(tǒng)驗證是第三個實驗 自準(zhǔn)直儀也被用來驗證 4 自由度測量系統(tǒng) 因為它可 以同時進(jìn)行對 x和 y的測量 設(shè)置的自準(zhǔn)直儀在光柵背面 當(dāng)全部循環(huán)試驗實施和誤 差分離方法沒有用時 自準(zhǔn)直儀記錄了目標(biāo)轉(zhuǎn)盤和參考轉(zhuǎn)盤誤差總和 4 自由度的自準(zhǔn) 直儀測量系統(tǒng)可記錄一次 當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn)一次 并再次測試參考轉(zhuǎn)盤逆時針旋 轉(zhuǎn)的程度 圖 5 顯示了該系統(tǒng)的核查結(jié)果 結(jié)果對 4 自由度自準(zhǔn)直儀的測量系統(tǒng)類似 所以 4 自由度數(shù)學(xué)模型測量制度是正確的 4 4 全部循環(huán)測試 完整的循環(huán)測試是最后的實驗 是在第 3 條所述 該 4 自由度測量系統(tǒng)的測量范圍 為 1 左右 要完成一整圈測試的時間 如果必須采取唯一位置感應(yīng)探測器 2 位置感 應(yīng)探測器 的使用 只有一組位置感應(yīng)探測器的要求記錄在第一和第二次測試 至少 72 0 分 因此 4 個位置感應(yīng)探測器來建立系統(tǒng) 位置感應(yīng)探測器 A 和 B 設(shè)置為位置感應(yīng) 探測器意義上的 1 級衍射光時的參考轉(zhuǎn)臺角位置是 0 然后 位置感應(yīng)探測器的 C 和 D 設(shè)置為位置感應(yīng)探測器意義上的 1 級衍射光時的參考轉(zhuǎn)臺角位置是在 5 在整 圈測試 位置感應(yīng)探測器 C 和位置感應(yīng)探測器 B 的一個用于第一次測試 而位置感應(yīng) 探測器 C 和 D 組用于第二次測試 因此 一個完整的循環(huán)測試只需要記錄在第一和第二 次測試 72 分 經(jīng)過兩年試驗完成后 上述方法在第 3 節(jié)是用來隔離的目標(biāo)轉(zhuǎn)臺和參考轉(zhuǎn)臺的誤差 測試結(jié)果如圖所示 6 一 d 及 六 H 分別為目標(biāo)和參考轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn) 臺的誤差 在參考轉(zhuǎn)臺角位置誤差均高于目標(biāo)轉(zhuǎn)盤 但是 誤差是相似的 目標(biāo)轉(zhuǎn)盤的 y x y 和 z 約有 2 85 毫米 330 620 和 270 弧秒 分別為 y x y 和 z 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)了一下 分別為 2 90 毫米 210 500 和 250 弧秒 在 y 大是因為兩者之間的反射光柵表面和轉(zhuǎn)盤的中心軸偏心距較大 要調(diào)整目標(biāo) 之間的轉(zhuǎn)盤 轉(zhuǎn)盤參考偏心是容易的 但要調(diào)整光柵之間的偏心回轉(zhuǎn)工作臺是困難的 因為對光柵和旋轉(zhuǎn)表是不同的幾何 5 結(jié)論 本文建立了一個新穎 簡單 低成本的校準(zhǔn)技術(shù) 360 全圓旋轉(zhuǎn)表 三角位置誤差 和位置誤差的線性 的 4 自由度的誤差 利用這種技術(shù) 沒有高度準(zhǔn)確的參考轉(zhuǎn)盤 但 是具有良好的重復(fù)性是必要的 經(jīng)過充分循環(huán)試驗 目標(biāo)和參考轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)臺的四自由度 誤差可能確定 系統(tǒng)校準(zhǔn) 穩(wěn)定性試驗 系統(tǒng)驗證和測試已經(jīng)完成了一圈 從整個體系 的校準(zhǔn) 測量不確定度角系統(tǒng) 宰 小于 1 5 弧秒 該系統(tǒng)的角度穩(wěn)定性小于 2 弧秒 而位移穩(wěn)定性小于 1 2mm