一种高精度三轴无磁测试转台系统技术方案

本发明专利技术提供一种高精度三轴无磁测试转台系统，属于三轴转台技术领域。该系统包括方位轴系、井斜轴系、工具面轴系、控制盒和上位机软件，方位轴系绕铅垂方向转动，井斜轴系绕水平方向转动，工具面轴系垂直于井斜轴系，三轴系的轴线在空间形成正交。被测件固定在工具面轴上，上位机软件通过控制盒读取、分析和显示三轴角度数据。三轴系均包含角度调节组件、轴承组件、滑环组件以及光栅传感器等测量组件；轴系通过手轮快速粗调和正切精调机构实现二次调节与锁紧，使三轴转动机构实现快速转动和可靠锁定；光栅传感器采用多读数头布局方式，使系统测角精度达到角秒级。三轴转台采用无磁材料制成，能够满足大多数高精度角度传感器测量的无磁要求。的无磁要求。的无磁要求。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度三轴无磁测试转台系统


[0001]本专利技术涉及三轴转台
，特别是指一种高精度三轴无磁测试转台系统。

技术介绍

[0002]角度传感器是一类测角元件，随着电子集成技术的发展，一种采用高性能集成磁敏感元件，利用磁信号感应非接触的特点，配合微处理器进行智能化信号处理的新一代高精度角度传感器被制造了出来。高精度角度传感器具有高精度、大范围和低成本等特点，目前已被广泛应用于工业制造、仪器测试、国防航天等多种场合。
[0003]在石油钻井行业中，应用较多的是直杆式高精度角度传感器，这种传感器的外观一般为长直杆，将其装于钻井设备中用于对地下钻机进行姿态导航。由于地磁场的影响，需每隔一段时间对传感器进行精度校准，其中，夹具式三轴测试转台作为一种高精度测角仪器被广泛用于此类传感器的校准测量工作。
[0004]随着近些年编码器等相关传感器的技术提升，现有技术下的测量转台已经可以达到很高的测角精度，但受限于仪器制作材料多为易导磁型，在对上述磁敏感型角度传感器的测试中难免会引入额外误差，仪器内部的强电信号也会产生不可忽视的磁变影响。目前，国内市场上缺少一套能同时达到极高测量精度与极低磁场畸变的转台测量系统，本专利技术在做到全部构件采用无磁材料的基础上引入了最新的多头读数交叉分布方式实现无磁光栅传感器高精度角度测量，能够成功的解决上述问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是提供一种高精度三轴无磁测试转台系统，拥有较高测量精度的同时能使被测件区域磁场畸变在20nT以内，能够满足对一般直杆式高精度角度传感器的测量任务。
[0006]该系统包括三轴无磁转台装置、控制盒、上位机软件和连接电缆，三轴无磁转台装置的三个转动轴系分别为：方位轴系、井斜轴系和工具面轴系，三轴传动均采用手动正切精调机构，三个转动轴系的轴线在空间形成正交；方位轴系包括方位轴、方位轴粗调手轮、方位轴精调离合手轮、方位轴锁紧手轮、方位轴基座、调平地脚、水平传感器、方位轴台面、方位轴底盖、方位轴轴承、方位轴编码器、方位轴锁紧轴、方位轴滑环和由方位轴精调手轮、方位轴精调机构旋转臂、方位轴精调锁紧环构成的方位轴正切精调机构，井斜轴系包括井斜轴、井斜轴左半轴、井斜轴右半轴、井斜轴粗调手轮、井斜轴精调离合手轮、井斜轴锁紧手轮、井斜轴基座、井斜轴轴承、井斜轴编码器、井斜轴滑环和由井斜轴精调手轮、井斜轴精调机构旋转臂、井斜轴精调锁紧环构成的井斜轴正切精调机构，工具面轴系包括工具面轴、工具面轴粗调手轮、工具面轴精调离合手轮、工具面轴锁紧手轮、工具面轴轴承、工具面轴编码器、工具面轴滑环、V型夹具和由工具面轴精调手轮、工具面轴精调机构旋转臂、工具面轴精调锁紧环构成的工具面轴正切精调机构，
方位轴绕铅垂方向旋转，井斜轴绕水平方向旋转，工具面轴由井斜轴支撑并垂直于井斜轴，井斜轴由方位轴支撑并垂直于方位轴；三个转动轴系中的粗调手轮是由直接传动结构进行大范围快速调节，精调手轮是正切精调机构；三个转动轴系的正切精调机构套于对应轴上，实现对应轴的锁紧功能，用于粗调完成后将轴系锁定，之后旋转精调手轮确定精调传动比，最后使用精调手轮完成精调；三个转动轴系都装有光栅传感器对轴系进行角度测量，所述光栅传感器由玻璃光栅与多个读数头组成，采用多读数头非均匀交叉分布安装模式；三个转动轴承均通过连接电缆与控制盒传输测量数据，控制盒连接上位机软件，上位机软件中显示被测件的三轴角度数据。
[0007]其中，方位轴安装在方位轴基座中，方位轴基座下端安装三个调平地脚，方位轴基座壳体上安装方位轴粗调手轮、方位轴精调手轮、方位轴精调离合手轮和方位轴锁紧手轮，方位轴锁紧手轮位于方位轴粗调手轮正下方，方位轴基座壳体底部安装水平传感器，方位轴基座壳体侧面开有接线孔，方位轴基座壳体一侧开孔设置方位轴精调锁紧环；方位轴底部设置方位轴底盖，方位轴底盖上部安装方位轴编码器，方位轴配有一对方位轴轴承，方位轴轴承配备方位轴轴承内压圈和方位轴轴承外压圈，方位轴滑环位于方位轴内部，用于传输方位轴编码器测得的角度数据，方位轴上部设置方位轴锁紧轴，方位轴锁紧轴上部设置方位轴台面；方位轴精调手轮作用于方位轴精调锁紧环旋转臂的一侧，方位轴精调离合手轮作用于方位轴精调锁紧环旋转臂的末端，方位轴锁紧时方位轴锁紧手轮向内转动，方位轴精调锁紧环通过向内挤压方位轴锁紧轴产生轴系的锁紧效果。
[0008]上述三个调平地脚以120
°
等角形式布置，水平传感器有两个，两个水平传感器以90
°
水平垂直关系布置。
[0009]井斜轴包括井斜轴左半轴和井斜轴右半轴，井斜轴右半轴装有井斜轴粗调手轮、井斜轴精调手轮、井斜轴精调离合手轮以及井斜轴锁紧手轮，井斜轴右半轴下部设置井斜轴精调锁紧环，井斜轴粗调手轮、井斜轴精调手轮、井斜轴精调离合手轮以及井斜轴锁紧手轮作用于井斜轴精调锁紧环；井斜轴左半轴装有井斜轴编码器与井斜轴滑环，用于测量和传输井斜轴系的偏转角度；井斜轴轴承由井斜轴左半轴的一对角接触轴承与井斜轴右半轴的单个轴承组成，井斜轴轴承配有相应的井斜轴轴承内压圈与井斜轴轴承外压圈；井斜轴基座为U型架结构，井斜轴基座的底部安装在方位轴的方位轴台面上，井斜轴左半轴和井斜轴右半轴安装在井斜轴基座上。
[0010]工具面轴的外部壳体底部安装工具面轴粗调手轮，工具面轴的外部壳体侧面上部安装工具面轴精调手轮和工具面轴精调离合手轮，工具面轴的外部壳体侧面下部安装工具面轴锁紧手轮，工具面轴外部壳体上部安装工具面轴精调锁紧环；工具面轴为中空结构，通过一对角接触工具面轴轴承支撑，安装在工具面轴外部壳体内，工具面轴轴承配备相应的工具面轴轴承内压圈和工具面轴轴承外压圈；工具面轴下端装有工具面轴编码器，工具面轴编码器下端装有工具面轴滑环和工
具面轴滑环支筒；被测件从工具面轴中空穿过，通过安装在工具面轴上下两端的一对V型夹具固定。
[0011]多读数头非均匀交叉分布安装模式共由五个型号相同的读数头组成；其中，具体布局为：五个读数头非均匀分别装于玻璃光栅上方，分为两组进行测量读数，其中，第一组包含三个读数头，以120
°
等分布的形式安装，第二组的两个读数头以180
°
水平分布的形式安装；两组读数头进行独立读数，利用平均读数原理计算测量值，并根据第二组读数头对径读数消除倾斜安装误差，由第二组读数头获取到的单轴向测量数据来分别对第一组的三个读数头测量结果进行补充，消除采用第一组读数头测量中的轴向误差，将两组测角数据有机融合计算；鉴于分布图形中对径的两个读数头之间最小间距30度，可等效为将圆周均分为12份，相当于通过五个读数头获取了玻璃光栅圆周角度共12阶谐波的测量数据；在此读数头安装模式基础上，将测量数据进行谐波分析，构建谐波误差补偿算法，从软件方面进一步提高测角精度。
[0012]谐波误差补偿算法具体为：采用谐波模型进行测角误差拟合，通过傅里叶变换，用傅里叶级数近似表示误差标定数据，并计算出各阶谐波幅值和相位，取其中谐波幅值大于光栅分辨率的谐波阶次，构建谐波误差本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高精度三轴无磁测试转台系统，包括三轴无磁转台装置、控制盒、上位机软件和连接电缆，其特征在于，所述三轴无磁转台装置的三个转动轴系分别为：方位轴系、井斜轴系和工具面轴系，三轴传动均采用手轮快速粗调和正切精调机构实现粗精结合二次调节与锁紧，三个转动轴系的轴线在空间形成正交；所述方位轴系包括方位轴、方位轴粗调手轮、方位轴精调离合手轮、方位轴锁紧手轮、方位轴基座、调平地脚、水平传感器、方位轴台面、方位轴底盖、方位轴轴承、方位轴编码器、方位轴锁紧轴、方位轴滑环和由方位轴精调手轮、方位轴精调机构旋转臂、方位轴精调锁紧环构成的方位轴正切精调机构，所述井斜轴系包括井斜轴、井斜轴左半轴、井斜轴右半轴、井斜轴粗调手轮、井斜轴精调离合手轮、井斜轴锁紧手轮、井斜轴基座、井斜轴轴承、井斜轴编码器、井斜轴滑环和由井斜轴精调手轮、井斜轴精调机构旋转臂、井斜轴精调锁紧环构成的井斜轴正切精调机构，所述工具面轴系包括工具面轴、工具面轴粗调手轮、工具面轴精调离合手轮、工具面轴锁紧手轮、工具面轴轴承、工具面轴编码器、工具面轴滑环、V型夹具和由工具面轴精调手轮、工具面轴精调机构旋转臂、工具面轴精调锁紧环构成的工具面轴正切精调机构，方位轴绕铅垂方向旋转，井斜轴绕水平方向旋转，工具面轴由井斜轴支撑并垂直于井斜轴，井斜轴由方位轴支撑并垂直于方位轴；三个转动轴系中的粗调手轮是由直接传动结构进行大范围快速调节，精调手轮是正切精调机构；所述三个转动轴系的正切精调机构套于对应轴上，实现对应轴的锁紧功能，用于粗调完成后将轴系锁定，之后旋转精调手轮确定精调传动比，最后使用精调手轮完成精调；三个转动轴系都装有光栅传感器对轴系进行角度测量，所述光栅传感器由玻璃光栅与多个读数头组成，采用多读数头非均匀交叉分布安装模式；三个转动轴承均通过连接电缆与控制盒传输测量数据，控制盒连接上位机软件，上位机软件中显示被测件的三轴角度数据。2.根据权利要求1所述的高精度三轴无磁测试转台系统，其特征在于，所述方位轴安装在方位轴基座中，方位轴基座下端安装三个调平地脚，方位轴基座壳体上安装方位轴粗调手轮、方位轴精调手轮、方位轴精调离合手轮和方位轴锁紧手轮，方位轴基座壳体底部安装水平传感器，方位轴基座壳体侧面开有接线孔，方位轴基座壳体一侧开孔设置方位轴精调锁紧环；方位轴底部设置方位轴底盖，方位轴底盖上部安装方位轴编码器，方位轴配有一对方位轴轴承，方位轴轴承配备方位轴轴承内压圈和方位轴轴承外压圈，方位轴滑环位于方位轴内部，用于传输方位轴编码器测得的角度数据，方位轴上部设置方位轴锁紧轴，方位轴锁紧轴上部设置方位轴台面；方位轴精调手轮作用于方位轴精调锁紧环旋转臂的一侧，方位轴精调离合手轮作用于方位轴精调锁紧环旋转臂的末端，方位轴锁紧时方位轴锁紧手轮向内转动，方位轴精调锁紧环通过向内挤压方位轴锁紧轴产生轴系的锁紧效果。3.根据权利要求2所述的高精度三轴无磁测试转台系统，其特征在于，所述三个调平地脚以120
°
等角形式布置，所述水平传感器有两个，两个所述水平传感器以90
°
水平垂直关系布置。
4.根据权利要求1所述的高精度三轴无磁测试转台系统，其特征在于，所述井斜轴包括井斜轴左半轴和井斜轴右半轴，井斜轴右半轴装有井斜轴粗调手轮、井斜轴精调手轮、井斜轴精调离合手轮以及井斜轴锁紧手轮，井斜轴右半轴下部设置井斜轴精调锁紧环，井斜轴粗调手轮、井斜轴精调手轮、井斜轴精调离合手轮以及井斜轴锁紧手轮作用于井斜轴精调锁紧环；井斜轴左半轴装有井斜轴编码器与井斜轴滑环，用于测量和传输井斜轴系的偏转角度；井斜轴轴承由井斜轴左半轴的一对角接触轴承与井斜轴右半轴的单个轴承组成，井斜轴轴承配有相应的井斜轴轴承内压圈与井斜轴轴承外压圈；井斜轴基座为U型架结构，井斜轴基座的底部安装在方位轴的方位轴台面上，井斜轴左半轴和井斜轴右半轴安装在井斜轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：劳达宝，王方，王玉凯，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：