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激光跟踪仪测角误差标定及补偿

激光跟踪仪采用单站极坐标测量原理,将高精度激光测距技术和经纬仪精密测角技术相结合,实现大尺寸(50m)空间三维坐标点的高精度测量。激光跟踪仪采用的增量式测角圆光栅是一种集光、机、电为一体的非接触式数字测角系统,具有结构简单、测角精度高、响应速度快等特点,已被广泛应用在精密角位置的测量设备中。


通过分析增量圆光栅的制造误差、电子学细分误差、轴系旋转误差,码盘安装偏心误差对编码器测角精度的影响,在浏角误差标定的基础上,通过傅里叶分析建立测角误差补偿模型,通过误差补偿使得单头读数测角均方误差由10”提高至0.8”以内,并与双头对径读数测量结果进行比较,测量精度略低于双头对径读数优于0.3”测角误差。


1、激光跟踪仪概述

激光跟踪仪为空间坐标测量系统,由激光测距系统和经纬仪测角系统组成,激光测距系统获得目标到仪器的距离,经纬仪测出目标方位角和俯仰角,通过极坐标与直角坐标转换关系获得目标空间直角坐标。激光跟踪仪具有无导轨、动态快速测量、测量精度高、安装移动便捷等特点,在大科学工程安装检测、大型装备建造、航空航天、船舶、汽车、轨道铺设等大型零部件检测和装配过程中具有非常高的应用价值。


根据激光跟踪仪测量原理,以及激光测距的精度水平,影响空间坐标测量精度的主要因素为经纬仪测角精度,在仪器模块化、小型化的要求下,如何采用小尺寸的测角光栅实现高精度的角度测量是激光跟踪仪研制过程中需要解决的难题。自主研发的激光跟踪仪采用高精度的圆光栅作为检测元件,采用莫尔条纹和光电转换原理,将经纬仪转动的角度转换成数字信号实现数字测量,结合误差补偿与数字控制,有效提高测角精度,进一步体现了光栅编码器测量精度高、响应速度快、测量范围广、抗干扰能力强、体积小、工作可靠性好、非接触测量等优势。

激光跟踪仪测角误差标定及补偿.png

2、激光跟踪仪测角圆光栅的误差分析

激光跟踪仪测角系统选用英国雷尼绍公司金属反射式柱面圆光栅,光栅直径为100mm,刻线数为15744线,光栅节距为20us,光栅读数头选用该公司TONICTM系列紧凑型读数头。根据圆光栅的工作原理,影响测角精度的主要因素有码盘制造误差、电子学细分误差、轴系旋转误差、码盘安装误差等因素。


2.1码盘制造误差

圆光栅码盘制造误差是指是指码盘上刻线的实际位置与理论位置的偏差,该误差主要由码盘的刻划误差、刻线的直径误差、封闭差、码道间的位置误差、均匀性误差等组成。


该误差主要分布于3个频谱区,金属盘由于表面反射率不一致产生非均匀性误差造成光电信号直流电平漂移,属于低频误差;直径误差理论上属于刻划误差的偶次谐波;码盘栅线间刻划误差、封闭差属于中、高频误差,其中,90%集中在低次谐波(以二、三次谐波为主)。

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2.2电子学细分误差

细分误差是实际细分点与理论细分点的差值。影响细分误差的因素很多,但莫尔条纹信号质量是决定细分误差大小的Z主要因素。细分误差产生的直接原因是光电编码器精码莫尔条纹信号相对于标准信号的波形偏差,通常采用分段函数建立莫尔条纹光电信号波形的数学模型,通过设置分段函数波形参数,建立偏离标准正弦波的光电信号波形方程,用得到的信号波形的Lissajous图形拟合实际信号的Lissajous图形,拟合精度满足要求后,用创建的分段函数代表实际的莫尔条纹光电信号的波形方程,在此基础上进行细分误差补偿。


2.3轴系晃动误差

根据圆光栅的使用特点,其固定在轴上与轴一同旋转,轴系的精度对光栅的测角精度产生影响,假定转轴绕一固定点0旋转,Zda晃动角为β,r为圆光栅的半径,d为光栅环至轴系晃动ZX的距离。由轴系晃动使得光栅的刻划面产生轴向跳动和径向跳动,根据柱面光栅的刻划特点,轴向跳动等同于光栅的轴向平移,不影响光栅的读数精度,径向跳动等同于光栅的偏心运动,影响光栅的读数精度。


可见,减小轴系晃动所造成的测角误差,尽量减小圆光栅面ZX与轴系晃动ZX的距离。轴系晃动中周期性晃动为系统误差,它可由机械装调的方法和软件修正来实现误差补偿;随机性晃动误差采用多头读数平均效应方法加以补偿。

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2.4码盘的安装偏心误差

码盘安装偏心是指在码盘调试安装完成后,码盘码道的刻划ZX同支承轴系旋转ZX的偏移量。安装偏心误差主要与光栅角编码盘以及轴系ZX线位置等多个因素有关。根据分析,安装偏心差对测角精度的影响较大,分析了码盘偏心对测角误差的影响,目前主要采用偏心测量调节法和多头读数法来减小偏心误差对测角精度的影响。


以上两种方法都可以大大消除偏心误差的影响,提高光栅角编码器的测量精度。但是在实际应用过程中,偏心调节法的操作过程受环境影响比较大,尤其是当在角编码器安装空间比较小的时候无法使用两个显微镜进行对径调整。多头读数法虽然比偏心调节法更能减小安装偏心对测量结果精度的影响,但使用两个读数头增加系统体积的同时还增加了角度测量系统的成本。


如果能够建立误差模型,通过误差修正的方法提高测角精度,具有更重要的意义。国内很多学者分析了影响光栅测量精度的因素,也提出通过误差补偿修正的方法来提高光栅编码器的测角误差,在双头对径读数的基础上,采用谐波分析法进一步修正误差,实现优于1”的测角误差。


3、结论

在对圆光栅测角系统误差分析的基础上,建立其误差模型,通过直接比较法标定获得误差模型的修正参数。在单读数头前提下,利用所建立的误差模型修正使得圆光栅测角精度误差由10”提高至0.8”以内,测角精度略低于双头对径读数,满足激光跟踪仪测角精度要求,有效降低了激光跟踪仪研制成本。


2004-12-04 浏览次数:2903次
本文来源:https://www.yiqi.com/daogou/detail_1750.html
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