一种抑制轴系倾角回转误差的转轴转角的测量方法技术

本发明专利技术属于光学测量领域，是一种可以抑制轴系倾角回转误差影响的转轴转角测量方法。本发明专利技术测量原理系统如图1所示，带有光楔5的转轴2置于自准直仪1和反射镜3之间。由于光楔5的折射作用，自准直仪1发出的光束经过反射镜3反射回来后、与出射光束形成偏折角β返回自准直仪1中，并汇聚成光点像；当转轴2和光楔5一体转动时，反射光束绕着转轴2的轴线转动，自准直仪1中的光点像沿着圆形轨迹运动；计算机4记录圆周上的光点像质心坐标、拟合出轨迹圆圆心坐标，再指定圆周上起始点A和终点B，利用A与B的坐标值计算出对应的圆心张角，该角度即为所需测量的转轴2由A到B的转角。本发明专利技术中轴系倾角回转误差几乎不影响转动角度的测量精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光机检测领域，是一种高精度的转轴转角测量方法。涉及自准直仪、 光楔以及反射镜的组合，具体地说是一种抑制轴系倾角回转误差的转轴转动角度的测量方 法。
技术介绍
根据自准直仪的角度测量原理，很容易想到利用图1所示的光路系统来测量转轴 转角。其中1为自准直仪，2为转轴，3为反射镜，4为计算机；反射镜3安装在转轴2的端 面上，且与转轴2的端面成角度Θ;自准直仪1发出的平行光束经反射镜3的反射后，相对 自准直仪1的出射光束偏折角度β= 2Θ、而进入自准直仪1形成光点像；自准直仪1与 计算机4相连，自准直仪1中得到的光点像的位置数据由计算机4读出、经过处理即可得到 光点像的位置坐标，并显示在计算机4的显示屏上；当转轴2和反射镜3 -体转动时，反射 光束绕着转轴2的轴线转动，自准直仪1中的光点像在计算机4的显示屏上沿着圆形轨迹 运动，如图2所示，轨迹圆半径取决于反射光束与出射光束的偏折角β= 2Θ、以及自准直 仪1与反射镜3的相对距离；以轨迹圆上左下方的任一光点像位置为原点建立直角坐标系， 通过记录转轴2转动过程中获得的一系列圆周点坐标即可拟合出轨迹圆圆心坐标C，再利 用圆周上采样起始点Α和终点Β的坐标值即可算出Α与Β间圆弧所对应的圆心张角％4亥角 度即为转轴2的转角。 这种测量方法简单、方便，同时可实现大范围转角测量，可广泛用于机构的转动误 差测量。然而，由于转轴的加工误差、轴承的安装误差，轴承本身的游隙以及转轴在使用过 程中受到的传动力作用等因素的影响，导致转轴转动过程中发生摆动，专业上称为轴系倾 角回转误差，其连带反射镜3上的反射光束发生摆动，导致自准直仪1中的光点像脱离理想 的圆形轨迹，且偏离量为轴系倾角回转误差的2倍，使终点位置由B点变化到B1点，如图 2中所示，产生转角测量误差Δ物。不同转动机构中的轴系倾角回转误差不同，一般为几角秒 到几十角秒。可见，轴系倾角回转误差严重影响了转轴2转角的测量准确性。 本
技术实现思路
即为一种抑制轴系倾角回转误差的转轴转动角度的测量方法。 为了清楚说明本专利技术的内容，下面详述自准直仪1的工作原理。自准直仪1的内 部光学结构示于图3中的虚线框内，其中11为平行光光源，12为分束器，13为透镜，14为 (XD;平行光光源11发出的细光束被分束器12折角90°从出光口的中心出射，经反射镜3 反射与出射光束成角度β，并依次透过分束器12、透镜13汇聚在CCD14的面板上，形成光 点像；(XD14与计算机4直接连接，光点像在(XD14面板上的位置数据由计算机4读出、经 过计算机4中的程序处理即可得到光点像的位置坐标，并显示在计算机4的显示屏上。
技术实现思路
本专利技术针对轴系倾角回转误差对转轴转角测量的影响，提出一种基于光楔折射的 转轴转角测量方法，目的是抑制轴系倾角回转误差对测量的影响，提高转轴转角的测量精 度。 本专利技术的测量光路系统示意图如图4所示，其中1为自准直仪，2为转轴，3为反射 镜，4为计算机，5为光楔；光楔5固定在转轴2的端面上，反射镜3置于转轴2之后垂直固 定、且使反射镜3的法线与转轴2的轴线平行；带有光楔5的转轴2置于自准直仪1和反射 镜3之间。自准直仪1发出的光束依次经过光楔5的折射和反射镜3的反射，反射光束再 经光楔5的折射、与自准直仪1的出射光束形成偏折角β返回自准直仪1中，并汇聚成光 点像；由于光楔5的折射作用，当转轴2和光楔5 -体转动时，反射光束绕着转轴2的轴线 转动，自准直仪1中的光点像沿着圆形轨迹运动；计算机4记录转轴2转动一周后获得的一 系列均匀分布在圆周上的光点像质心坐标、拟合出轨迹圆圆心坐标，再根据具体测量要求 指定圆周上起始点Α和终点Β，利用Α与Β的坐标值计算出Α与Β间圆弧所对应的圆心张角 %，该角度即为所需测量的转轴2由A到B的转角。 与自准直仪1相连的计算机4中存储有三个程序：程序I用于计算光点像质心坐 标、并将光点像位置及其质心坐标显示于显示屏上；程序II用于驱动转轴2以两种模式转 动，一是连续转动，二是以一定步长间歇转动，另外存储转轴2间歇转动一周后获得的一系 列光点像质心坐标；程序III依据导入的转轴2间歇转动一周后获得的一系列坐标值拟合 出轨迹圆及其圆心坐标、基于轨迹圆周上任意两点的坐标值算出两点间圆弧所对应的圆心 张角。 为保证转轴2转角的测量精度，测量系统的光路设计需使光点像的轨迹圆仅略小 于自准直仪1的测量视场，为此自准直仪1的出射光光轴与转轴2的轴线平行、同时与反射 镜3的法线平行，以使得轨迹圆的圆心基本是自准直仪1的视场中心，另外所述的光楔5的 楔角可调，使得自准直仪1与反射镜3的距离在空间限定条件下确定后，能够通过调节光楔 5的楔角使得轨迹圆直径与自准直仪1的视场直径接近。 在本专利技术的方法中，虽然转轴2转动时轴系倾角回转误差会连带光楔5摆动，但由 于光楔5的透射特性，使得入射光楔5的光束和反射光路中从光楔5出射的光束几乎不随 之移动，尤其二者之间的偏折角β几乎不发生改变，即轴系倾角回转误差几乎不会使(XD 面板上的光点像产生偏离轨迹圆的运动，从而提高了转轴2转角的测量精度。 以下详细说明本专利技术对轴系倾角回转误差的抑制能力。设轴系倾角回转误差为 ai，光楔5的楔角为γ、折射率为η、且为分析方便设为直角光楔。如图5所示，在ai作用 下光楔5及其法线也摆动ai，导致自准直仪1到反射镜3的出射光路中经过光楔5的各个 界面处产生系列折射角α2、α3、α4，且从反射镜3到自准直仪1的反射光路中也产生系列 折射角βi、β2、β3、β4，最终使反射光路中出射光楔5的光束与自准直仪1的出射光束形 成夹角Δβ+β=β4- ，其中Δβ即为轴系倾角回转误差导致的偏折角β的误差量。 Δβ越小，说明本专利技术对轴系倾角回转误差的抑制能力越强。 根据光的折射关系得出如下方程： Δ β + β = β 4_ a i (1)(a) a 3= a 2+ γ (3) β3=β2-γ(4) -βι+Τ= 〇 4-γ(5) 将楔角γ和折射率η视为已知量，利用上述等式关系可以将Δβ表示为〇1的 函数。当设定γ= 1800角秒、η= 1. 5，a 〇角秒时可计算出偏折角β= 1800角秒； 轴系倾角回转误差α1在0角秒~100角秒范围变化时，计算出△β与轴系倾角回转误差 <^的关系曲线如图6所示。 由图6可知，偏折角β的误差量Δβ与轴系倾角回转误差αι近似为线性关系， 斜率为4Χ105,即偏折角β的误差小于轴系倾角回转误差的1/10000。可见，本专利技术可有 效抑制轴系倾角回转误差对光点像运行轨迹的影响，提高了转轴转角的测量精度。【附图说明】 图1为
技术介绍
中叙述的测量转轴转角的光路系统。其中1为自准直仪，2为转 轴，3为反射镜，4为计算机。 图2为测量转轴转角的基本原理以及测量误差分析图。当转轴2转动时光点像在 自准直仪1中（XD14的面板上运动形成轨迹圆，以光点像在轨迹圆上的任一位置为原点建 立直角坐标系，根据测试获得的系列圆周点坐标即可拟合出轨迹圆圆心坐标C，再利用圆周 上测试起始点Α和终点Β的坐标值即可算出Α与Β间圆弧所对应的圆心张角戰，该角度即为 转轴2的转角。由于轴系倾角回转误差的存在，使得转角测量产生&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抑制轴系倾角回转误差的转轴转角的测量方法，其特征是一种基于光楔折射的转轴转角测量方法，测量转轴转角的光学系统由自准直仪(1)、转轴(2)、反射镜(3)、计算机(4)和光楔(5)组成，自准直仪(1)与计算机(4)相连；光楔(5)固定在转轴(2)的端面上，反射镜(3)置于转轴(2)之后垂直固定、且使反射镜(3)的法线与转轴(2)的轴线平行，；带有光楔(5)的转轴(2)置于自准直仪(1)和反射镜(3)之间；自准直仪(1)发出的光束依次经过光楔(5)的折射和反射镜(3)的反射，反射光束再经光楔(5)的折射、与自准直仪(1)的出射光束形成偏折角β返回自准直仪(1)中，并汇聚成光点像；当转轴(2)和光楔(5)一体转动时，反射光束绕着转轴(2)的轴线转动，自准直仪(1)中的光点像沿着圆形轨迹运动；计算机(4)记录转轴(2)转动一周后获得的一系列均匀分布在圆周上的光点像质心坐标、拟合出轨迹圆圆心坐标，再利用圆周上任意起始点A和终点B的坐标值计算出A与B间圆弧所对应的圆心张角φi，该角度即为转轴(2)由A到B的转角；计算机(4)中存储有三个程序：程序I用于计算光点像质心坐标、并将光点像位置及其质心坐标显示于显示屏上；程序II用于驱动转轴(2)以两种模式转动，一是连续转动，二是以一定步长间歇转动，另外存储转轴(2)间歇转动一周后获得的一系列光点像质心坐标；程序III依据导入的转轴(2)间歇转动一周后获得的一系列坐标值拟合出轨迹圆及其圆心坐标、基于轨迹圆周上任意两点的坐标值算出两点间圆弧所对应的圆心张角；为保证转轴(2)转角的测量精度，测量系统的光路设计需使光点像的轨迹圆仅略小于自准直仪(1)的测量视场，为此自准直仪(1)的出射光光轴与转轴(2)的轴线平行、同时与反射镜(3)的法线平行，以使得轨迹圆的圆心基本是自准直仪(1)的视场中心，另外所述的光楔(5)的楔角可调，使得自准直仪(1)与反射镜(3)的距离在空间限定条件下确定后，能够通过调节光楔(5)的楔角使得轨迹圆直径与自准直仪(1)的视场直径接近。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宣丽，李文杰，穆全全，王少鑫，曹召良，李大禹，杨程亮，胡立发，彭增辉，刘永刚，姚丽双，徐焕宇，王玉坤，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22