轉(zhuǎn)臺(tái)角位置誤差校準(zhǔn)技術(shù)*

楊華暉，馮偉利，劉福

（1.軍械技術(shù)研究所，石家莊050003；2.軍械工程學(xué)院，石家莊050003；3.北京航天測(cè)試計(jì)量技術(shù)研究所，北京100076）

轉(zhuǎn)臺(tái)角位置誤差校準(zhǔn)技術(shù)*

楊華暉1，2，馮偉利3，劉福1

（1.軍械技術(shù)研究所，石家莊050003；2.軍械工程學(xué)院，石家莊050003；3.北京航天測(cè)試計(jì)量技術(shù)研究所，北京100076）

角位置誤差是評(píng)定轉(zhuǎn)臺(tái)性能的重要指標(biāo)。對(duì)當(dāng)前幾種轉(zhuǎn)臺(tái)角位置誤差校準(zhǔn)技術(shù)的校準(zhǔn)原理、校準(zhǔn)方法及校準(zhǔn)裝置進(jìn)行闡述和分析，比較各種校準(zhǔn)技術(shù)的特點(diǎn)，最后對(duì)校準(zhǔn)實(shí)際中需解決的關(guān)鍵問題和發(fā)展前景進(jìn)行了總結(jié)展望。

角度計(jì)量，角位置誤差，轉(zhuǎn)臺(tái)校準(zhǔn)

0 引言

轉(zhuǎn)臺(tái)按用途可分為測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)和仿真轉(zhuǎn)臺(tái)，其廣泛應(yīng)用于航空航天和兵器工業(yè)等領(lǐng)域。本文主要對(duì)精密測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的角位置誤差校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行闡述，但在實(shí)際應(yīng)用中，仿真轉(zhuǎn)臺(tái)和慣性測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的分項(xiàng)及綜合指標(biāo)基本都是角度量，因此，可以看作角度計(jì)量技術(shù)的重要分支［1-2］。

角位置是轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備的重要工作狀態(tài)，其中定位誤差是測(cè)量誤差和控制誤差的綜合。轉(zhuǎn)臺(tái)角位置誤差校準(zhǔn)技術(shù)是在靜態(tài)測(cè)角基礎(chǔ)上對(duì)旋轉(zhuǎn)物體全圓周轉(zhuǎn)角測(cè)量問題的深入研究，從測(cè)量方法上可分為機(jī)械式測(cè)角、電磁式測(cè)角和光學(xué)測(cè)角，近年來具有非接觸、高準(zhǔn)確度和高靈敏度優(yōu)勢(shì)的光學(xué)測(cè)角方法研究逐漸深入，應(yīng)用也越來越廣泛［3］。文獻(xiàn)［3］對(duì)發(fā)展起來的光學(xué)小角度測(cè)量方法和可用于整圓周角度測(cè)量方法作了較為全面的闡述，但這些小角度和整圓周測(cè)角方法并不一定適用于對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的角位置誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，例如衍射光柵干涉測(cè)角方法，主要是測(cè)量靈敏度復(fù)雜的問題，因此，未見有轉(zhuǎn)臺(tái)角位置誤差校準(zhǔn)的應(yīng)用實(shí)例［4］；光學(xué)內(nèi)反射小角度測(cè)量法測(cè)量范圍主要在10°以內(nèi)，無法實(shí)現(xiàn)全圓周角位置誤差的計(jì)量校準(zhǔn)［5］；環(huán)形激光器測(cè)角法雖然可以用于多面棱體和光學(xué)編碼器的校準(zhǔn)，但只能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，難以對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)靜態(tài)的定位誤差進(jìn)行有效測(cè)量［6-7］?；谏鲜龇治觯疚膶?duì)當(dāng)前工程實(shí)踐中的幾種角位置誤差校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行評(píng)述。

1 光電自準(zhǔn)直儀與多面棱體法

轉(zhuǎn)臺(tái)的分度精度常按照GJB1801-1993角位置誤差測(cè)量實(shí)驗(yàn)的綜合試驗(yàn)法進(jìn)行標(biāo)定［8］。如圖1所示，該角位置誤差校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)使用正多面棱體（一般為23面棱體）和光電自準(zhǔn)直儀作為標(biāo)準(zhǔn)儀器，也可使用多齒分度臺(tái)和平面鏡取代正多面棱體，提高測(cè)量間隔的靈活性［9］。另外為消除多面棱體的工作角偏差的影響，通常采用排列互比法（全組合法）進(jìn)行測(cè)量，其原理是將受檢定裝置和正多面棱體在全圓周范圍內(nèi)按順序進(jìn)行閉合的、獨(dú)立的比較測(cè)量，并用最小二乘法原理求取轉(zhuǎn)臺(tái)角位置誤差［10］，校準(zhǔn)精度可達(dá)0.2''，但是全組合法需要檢測(cè)出的數(shù)據(jù)量非常大。因此，文獻(xiàn)［11］介紹了一種通過遞推最小二乘法在給定檢測(cè)指標(biāo)情況下減少測(cè)試數(shù)據(jù)的計(jì)算方法。在利用正多面棱體偏差對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行檢定時(shí)，要注意自準(zhǔn)直儀讀數(shù)和正多面棱體偏差的符號(hào)取定，文獻(xiàn)［12］對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)角位置誤差校準(zhǔn)時(shí)利用正多面棱體偏差進(jìn)行直接測(cè)量的方法作了詳細(xì)介紹，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有準(zhǔn)確度高、操作簡(jiǎn)單和方便可行等優(yōu)點(diǎn)。

另外在使用光電自準(zhǔn)直儀和多面棱體對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)角位置誤差校準(zhǔn)時(shí)，要特別注意：一是在校準(zhǔn)前將多面棱體要盡可能安全可靠地安裝在夾具上，并使用千分尺調(diào)整正多面棱體安裝在與被測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)軸系回轉(zhuǎn)中心同軸的位置，以及要考慮“塔差”帶來的影響；二是光電自準(zhǔn)直儀光軸要調(diào)整到與棱體工作面垂直的方向，且要安裝在隔震基礎(chǔ)好的轉(zhuǎn)臺(tái)上。文獻(xiàn)［13］給出了標(biāo)準(zhǔn)器安裝與調(diào)整的具體方法。

盡管該方法已經(jīng)較為完善和成熟，但是在實(shí)際測(cè)試過程中，仍面對(duì)著裝調(diào)工作復(fù)雜，測(cè)試流程繁瑣以及在對(duì)三軸或多軸轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行校準(zhǔn)過程中部分測(cè)點(diǎn)誤差缺失等情況［14］，因此，這種測(cè)試方法無法在不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)臺(tái)上全部實(shí)現(xiàn)。

2 激光干涉轉(zhuǎn)角測(cè)量法

激光干涉任意轉(zhuǎn)角測(cè)量方法是在激光干涉小角度測(cè)量的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，目前激光干涉任意角測(cè)量方法有用雙平面反射鏡法［15］、定值角型［16］和雙頻激光楔形平板干涉法［17］，但在當(dāng)前轉(zhuǎn)臺(tái)角位置誤差校準(zhǔn)技術(shù)中，主要還是以激光干涉儀和平面反射鏡代替光電自準(zhǔn)直儀和多面棱體，如圖2所示。激光頭內(nèi)置激光器和相敏光電傳感器，角度干涉鏡由一個(gè)分光鏡和一個(gè)反射鏡組成，角度反射鏡實(shí)際是一組角錐棱鏡。被測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)置于激光干涉儀的測(cè)量光路中，角錐棱鏡隨轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)過角度產(chǎn)生光程差，從而將轉(zhuǎn)臺(tái)微小角度變化轉(zhuǎn)化為干涉條紋的變化，其校準(zhǔn)精度可優(yōu)于0.2''。

由于激光干涉轉(zhuǎn)角測(cè)量范圍一般不超過±5°，因此，轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)角系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)可以利用小角度標(biāo)定數(shù)據(jù)來評(píng)定其測(cè)角精度，但如果要進(jìn)行全圓周角位置誤差的校準(zhǔn)，需在測(cè)量系統(tǒng)中配合回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置［18］，如Renishaw激光干涉測(cè)量系統(tǒng)的無線回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置采用了高精度圓光柵進(jìn)行測(cè)角。因此，該方法不能完全依賴激光干涉法對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)角位置誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。

高精度的干涉測(cè)量采用的均是經(jīng)穩(wěn)頻的雙頻激光測(cè)量方式。文獻(xiàn)［19］中提出了一種使用閃耀光柵代替角錐棱鏡的激光干涉任意轉(zhuǎn)角測(cè)量方法，簡(jiǎn)化了測(cè)量裝置。但這種校準(zhǔn)裝置整周測(cè)角重復(fù)性誤差為5%，且需要兩套在空間相互垂直的干涉系統(tǒng)，裝調(diào)復(fù)雜困難。因此，文獻(xiàn)［20］采用非線性誤差補(bǔ)償方法通過一路測(cè)量光路獲得輸出信號(hào)，但仍在80°～100°和260°～280°兩端無法直接測(cè)量。

3 激光跟蹤儀標(biāo)定法

激光跟蹤儀是利用激光測(cè)距和二維精密跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)組成的大尺寸空間三維坐標(biāo)測(cè)量裝置，激光測(cè)距系統(tǒng)由干涉測(cè)距（IMF）和絕對(duì)測(cè)距（ADM）提供距離數(shù)據(jù)，二維精密跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)提供水平方向和俯仰方向的角度數(shù)據(jù)［21］。如下頁(yè)圖3所示，使用激光跟蹤儀對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)角位置精度進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，激光頭用以發(fā)送并接受玻璃棱鏡反射的激光光束，從而測(cè)算出反射點(diǎn)的空間坐標(biāo)，通過圓心擬合算法求取轉(zhuǎn)臺(tái)的角位置誤差［22］。

激光跟蹤儀標(biāo)定轉(zhuǎn)臺(tái)精度的方法相比國(guó)軍標(biāo)方法具有設(shè)備裝調(diào)簡(jiǎn)單，工作效率高，對(duì)環(huán)境要求低，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但單臺(tái)激光跟蹤儀在水平方向的跟蹤角僅為小角度圓弧范圍，因此，如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)全圓周角位置誤差的標(biāo)定，需要2～3臺(tái)激光跟蹤儀同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，但高精度激光跟蹤儀成本過高，因此，用其實(shí)現(xiàn)全圓周測(cè)量并不現(xiàn)實(shí)。

文獻(xiàn)［22］給出了通過在45°范圍內(nèi)間隔采樣（0.01°）增大樣本量的方法擬合出轉(zhuǎn)臺(tái)圓心，滿足了轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定的精度要求。但這種間接測(cè)量方法校準(zhǔn)精度低，一般為30''左右，且在轉(zhuǎn)臺(tái)角位置誤差校準(zhǔn)實(shí)際中并不通用，只有在多面棱體等光學(xué)元件難以安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)主軸上等特殊情況下可以考慮使用。另外激光跟蹤儀的二維精密轉(zhuǎn)臺(tái)一般使用圓光柵等測(cè)角傳感器，因此，該方法同激光干涉儀一樣，并不是完全依賴激光測(cè)距技術(shù)完成對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)角位置誤差的校準(zhǔn)。

4 經(jīng)緯儀標(biāo)定車載轉(zhuǎn)臺(tái)

電子經(jīng)緯儀可以代替光電自準(zhǔn)直儀在與多面棱體配合實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)角位置誤差的校準(zhǔn)。另外文獻(xiàn)［23］給出了一種用高精度電子經(jīng)緯儀標(biāo)定大型偏心轉(zhuǎn)臺(tái)、車載轉(zhuǎn)臺(tái)等旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的方法，如圖4所示。通過墊片調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)水平，放置電子經(jīng)緯儀在轉(zhuǎn)臺(tái)中心位置，通過尋找遠(yuǎn)處?kù)o態(tài)目標(biāo)點(diǎn)校準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺(tái)角位置誤差。該方法克服了偏心轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心難以確定以及自準(zhǔn)直儀視場(chǎng)小等缺點(diǎn)，但這種間接測(cè)量方法的觀測(cè)點(diǎn)難以選擇，標(biāo)定精度在30''左右。

5 結(jié)論

轉(zhuǎn)臺(tái)角位置誤差校準(zhǔn)技術(shù)是與光學(xué)小角度測(cè)量方法的發(fā)展密不可分的，校準(zhǔn)實(shí)際中使用較多的還是光電自準(zhǔn)直儀與多面棱體法，或用經(jīng)緯儀、高速線陣CCD代替光電自準(zhǔn)直儀。通過對(duì)以上角位置誤差校準(zhǔn)技術(shù)、裝置以及方法的總結(jié)，還能歸納出以下幾點(diǎn)問題：

（1）當(dāng)前幾種方法均是針對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)在水平面方向旋轉(zhuǎn)的角位置誤差進(jìn)行的校準(zhǔn)，對(duì)兩軸、三軸或多軸轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰、傾斜方向的校準(zhǔn)技術(shù)并沒有進(jìn)行深入研究，因此，其校準(zhǔn)技術(shù)難以在不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)臺(tái)上具體實(shí)現(xiàn)。

（2）上述幾種技術(shù)都是角度測(cè)試設(shè)備與轉(zhuǎn)臺(tái)在分離狀態(tài)下實(shí)施的校準(zhǔn)，因此，為避免大地振動(dòng)產(chǎn)生的影響都需要在隔震基礎(chǔ)好的情況下進(jìn)行，對(duì)環(huán)境和測(cè)試條件要求較高。

（3）當(dāng)前校準(zhǔn)方法對(duì)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的中框、內(nèi)框進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)需要在軸端安裝多面棱體或反射鏡，忽略了轉(zhuǎn)臺(tái)工作面因機(jī)械形變產(chǎn)生的誤差，且在軸端安裝測(cè)試設(shè)備時(shí)裝調(diào)更為困難，需設(shè)計(jì)測(cè)試工裝輔助進(jìn)行。

轉(zhuǎn)臺(tái)角位置誤差是評(píng)價(jià)其性能的重要指標(biāo)，本文介紹了當(dāng)前幾種在工程實(shí)踐中應(yīng)用的校準(zhǔn)技術(shù)，并對(duì)其存在問題進(jìn)行了分析。高精度光學(xué)測(cè)角傳感器的不斷發(fā)展成為轉(zhuǎn)臺(tái)角位置誤差直接校準(zhǔn)技術(shù)的重要發(fā)展方向，是值得計(jì)量校準(zhǔn)科研人員探索的新領(lǐng)域。

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Analysis of Calibration Techniques for Angular Positioning Error of Turntable

YANG Hua-hui1，2，F(xiàn)ENG Wei-li3，LIU Fu2
（1.Ordnance Technological Research Institute，Shijiazhuang 050003，China；
2.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；
3.Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology，Beijing 100076，China）

Angular positioning error is one of the important performance index to evaluate the performance of turntable.This paper reviews the present ways of calibration techniques for angular positioning error of turntable，including calibration principles，calibration methods and calibration devices，and compares the features of these calibration techniques.Finally，it concludes the calibration technologies to solve the key issues in practice and development prospects.

angle metrology，angular positioning error，turntable calibration

TB92

A

1002-0640（2017）01-0159-03

2015-10-15

2015-12-07

軍工計(jì)量科研基金資助項(xiàng)目（J032008A005）

楊華暉（1992-），男，山東濰坊人，在讀碩士研究生。研究方向：裝備計(jì)量檢定。