一種旋轉(zhuǎn)變壓器靜態(tài)和動態(tài)測角精度標(biāo)定裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種旋轉(zhuǎn)變壓器靜態(tài)和動態(tài)測角精度標(biāo)定裝置及方法，該方法基于外部基準(zhǔn)比較法。標(biāo)定裝置主要包含驅(qū)動轉(zhuǎn)臺，機(jī)械軸系，金屬多面棱體，光電自準(zhǔn)直儀和圓光柵等。利用金屬多面棱體和光電自準(zhǔn)直儀對旋變進(jìn)行靜態(tài)測角精度標(biāo)定，并對圓光柵進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償，校正其安裝誤差。當(dāng)驅(qū)動轉(zhuǎn)臺帶動軸系旋轉(zhuǎn)時，利用圓光柵對旋變進(jìn)行動態(tài)測角精度標(biāo)定。本發(fā)明結(jié)合不同外部基準(zhǔn)的特點(diǎn)，利用同一裝置完成旋轉(zhuǎn)變壓器的靜態(tài)和動態(tài)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)對旋變測角精度的全面分析和誤差補(bǔ)償，有助于測角系統(tǒng)的改進(jìn)，提升測角精度。
【專利說明】一種旋轉(zhuǎn)變壓器靜態(tài)和動態(tài)測角精度標(biāo)定裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及高精度角度測量和標(biāo)定技術(shù)，具體涉及ー種旋轉(zhuǎn)變壓器靜態(tài)和動態(tài)測角精度標(biāo)定裝置及方法，可用于高精度轉(zhuǎn)臺的測角系統(tǒng)標(biāo)定。
【背景技術(shù)】:
[0002]旋轉(zhuǎn)變壓器(簡稱旋變)是ー種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的測角元件，它本質(zhì)上是ー種信號電機(jī)，基于電磁感應(yīng)原理輸出包含角度信息的模擬信號，經(jīng)過電路解算處理后得到較高精度的角度數(shù)據(jù)。由于具有結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，壽命長，對機(jī)械和電氣噪聲不敏感，耐惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，旋變被廣泛應(yīng)用在伺服系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、汽車、電力、紡織和航空航天等領(lǐng)域。
[0003]受到旋變制作エ藝限制、機(jī)械安裝誤差、電信號失真和噪聲以及信號解算誤差等影響，整個旋變測角系統(tǒng)必定存在測角誤差，限制了角度測量精度和系統(tǒng)控制精度的提升。因此在ー些要求高精度和高可靠性的應(yīng)用場合(比如空間轉(zhuǎn)臺)，在使用之前，需要對旋變的測角精度進(jìn)行全方位的標(biāo)定，進(jìn)而對測角系統(tǒng)進(jìn)行全面分析和誤差補(bǔ)償。
[0004]目前常見的旋變測角精度標(biāo)定方法主要有以下幾種:
[0005]方法一:利用金屬多面棱體和光電自準(zhǔn)直儀進(jìn)行標(biāo)定。(參見GJB1801-93,慣性技術(shù)測試設(shè)備主要性能試驗(yàn)方法[S].)將金屬多面棱體安裝在軸心，光電自準(zhǔn)直儀利用它的工作面反射進(jìn)行讀數(shù)，利用前者轉(zhuǎn)過的面數(shù)結(jié)合后者的讀數(shù)可以得到高精度的角度數(shù)據(jù)，可對待測器件進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定。此方法中，可以用多齒分度臺和平面鏡代替金屬多面體。
[0006]方法ニ:利用速率轉(zhuǎn)臺進(jìn)行標(biāo)定。(參見張仲毅，一種基于速率轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)變壓器測角誤差的標(biāo)定補(bǔ)償方法[P].中國專利:101271007,2008-09-24.)先利用速率轉(zhuǎn)臺恒速轉(zhuǎn)動得到旋變的動態(tài)連續(xù)輸出，用于標(biāo)定誤差的周期項(xiàng)，再利用速率轉(zhuǎn)臺的靜態(tài)測角進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，用于標(biāo)定誤差的趨勢項(xiàng)。最終完成對旋變的標(biāo)定和誤差補(bǔ)償。
[0007]方法三:利用光柵編碼器進(jìn)行標(biāo)定。(參見李聲晉，一種旋轉(zhuǎn)變壓器-RDC測角系統(tǒng)的數(shù)字標(biāo)定及補(bǔ)償方法[J].微特電機(jī)，2007，6:26-28.)利用具有更高測角精度的光柵編碼器作為基準(zhǔn)來標(biāo)定旋變測角系統(tǒng)，將增量式光柵編碼器和旋變與伺服電機(jī)同軸連接，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，采用示波記錄儀同時采樣記錄光柵編碼器的増量脈沖信號及旋變的角度數(shù)字量，對數(shù)據(jù)進(jìn)行去重處理后，得到一周內(nèi)的數(shù)字標(biāo)定曲線。
[0008]方法一可以獲得很高的靜態(tài)測角精度，得到廣泛應(yīng)用，但缺點(diǎn)是無法獲得連續(xù)位置和動態(tài)下的標(biāo)定數(shù)據(jù)，并且整個標(biāo)定工作手動操作多，過程繁冗。方法ニ依靠速率轉(zhuǎn)臺完成動態(tài)和靜態(tài)標(biāo)定，過程簡單，通用性強(qiáng)，但它將勻速運(yùn)動下的擬合直線作為動態(tài)角度真值，而非真正的外部角度基準(zhǔn)，過于依賴速率轉(zhuǎn)臺的速度平穩(wěn)性，且無法進(jìn)行更多狀態(tài)下的動態(tài)標(biāo)定。方法三利用了増量式光柵編碼器精度高的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行直接比較，但它一方面未考慮光柵編碼器自身的安裝誤差，忽視了標(biāo)定基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，另ー方面并未進(jìn)行特定狀態(tài)下的動態(tài)標(biāo)定。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0009]本發(fā)明的目的是提出一種新的旋轉(zhuǎn)變壓器測角精度的標(biāo)定裝置及方法，完成旋變的靜態(tài)和動態(tài)測角精度標(biāo)定，解決了對旋變測角系統(tǒng)進(jìn)行全面可靠標(biāo)定和誤差分析及補(bǔ)償?shù)膯栴}。
[0010]本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)如附圖1所示，包括:工作平臺I，驅(qū)動轉(zhuǎn)臺2，機(jī)械軸系3，光電自準(zhǔn)直儀4，金屬多面棱體5，旋轉(zhuǎn)變壓器6，圓光柵及讀數(shù)頭7，信號處理及采樣時統(tǒng)電路8，工作計算機(jī)9。
[0011]其中:工作平臺I要水平穩(wěn)定，且具有一定的隔振性能，能夠抑制環(huán)境擾動，為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定平臺；驅(qū)動轉(zhuǎn)臺2帶動機(jī)械軸系3以及同軸安裝的金屬多面棱體5、待測旋變6和基準(zhǔn)圓光柵7 —起轉(zhuǎn)動；機(jī)械軸系3在安裝時要保證軸系中心線與驅(qū)動轉(zhuǎn)臺2的旋轉(zhuǎn)軸線重合；光電自準(zhǔn)直儀4在工作平臺I的調(diào)整下水平放置，與金屬多面棱體5同高，其中心軸線與機(jī)械軸系中心線垂直；信號處理及米樣時統(tǒng)電路8對旋變和圓光柵的角度信號進(jìn)行調(diào)理，并完成AD采樣及時統(tǒng)，最后送入工作計算機(jī)9進(jìn)行處理。
[0012]利用本裝置，可以結(jié)合不同外部基準(zhǔn)的特點(diǎn)，采用比較法對旋變進(jìn)行全面標(biāo)定。光電自準(zhǔn)直儀4配合金屬多面體5可在小范圍內(nèi)達(dá)到很高的測量精度，用作靜態(tài)標(biāo)定；圓光柵7的測角精度足夠高且動態(tài)特性好，用作動態(tài)標(biāo)定；動態(tài)標(biāo)定時，利用信號處理電路8保證圓光柵與旋變的采樣時間統(tǒng)ー；圓光柵7作為標(biāo)定基準(zhǔn)，精度易受安裝偏心影響，可在使用前利用光電自準(zhǔn)直儀4和金屬多面體5進(jìn)行校正。相比于待測旋變6，作為動態(tài)基準(zhǔn)的圓光柵7的精度應(yīng)高出2?3倍以上，作為靜態(tài)基準(zhǔn)的光電自準(zhǔn)直儀4與金屬多面體5配合使用的精度應(yīng)高出5倍以上。
[0013]結(jié)合上述裝置，本發(fā)明的標(biāo)定方法包含如下步驟:
[0014]1.標(biāo)定準(zhǔn)備工作。準(zhǔn)備工作包括工作平臺I的調(diào)整，機(jī)械軸系3的安裝，金屬多面體5、旋變6、圓光柵7的安裝，電路板8的配置，以及其他相關(guān)的設(shè)備安裝和配置等。
[0015]2.基準(zhǔn)圓光柵校正。轉(zhuǎn)動驅(qū)動轉(zhuǎn)臺2，利用金屬多面體5的工作面和光電自準(zhǔn)直儀4的讀數(shù)得到角度真值，同時讀取圓光柵7的測量值，完成整周測量，利用最小ニ乘擬合或其他方法進(jìn)行軟件補(bǔ)償，校正圓光柵7的安裝誤差。
[0016]3.靜態(tài)標(biāo)定。轉(zhuǎn)動驅(qū)動轉(zhuǎn)臺2，利用金屬多面體5的工作面和光電自準(zhǔn)直儀4的讀數(shù)得到角度真值，同時讀取旋變6的測量值，可得到整周內(nèi)的旋變靜態(tài)誤差曲線，也可以對不同位置的靜態(tài)重復(fù)精度進(jìn)行測量。
[0017]4.動態(tài)標(biāo)定?？刂乞?qū)動轉(zhuǎn)臺2以特定角速度或角加速度運(yùn)動，記錄同時刻下的旋變6的測角值和圓光柵7的測角值，以后者作為角度真值，得到旋變6的動態(tài)誤差曲線；改變運(yùn)動狀態(tài)，得到不同情況下的動態(tài)誤差，也可得到旋變6的動態(tài)測量范圍。
[0018]5.數(shù)據(jù)處理與分析。對測得的靜態(tài)和動態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，動態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)要保證時間碼對齊，剔除野值，繪出誤差曲線，對結(jié)果進(jìn)行分析。
[0019]6.系統(tǒng)改進(jìn)與誤差補(bǔ)償。根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，評價旋變測角系統(tǒng)的工作性能，考慮對系統(tǒng)進(jìn)行必要的硬件改進(jìn)；結(jié)合誤差曲線，利用數(shù)據(jù)擬合的方法進(jìn)行誤差的軟件補(bǔ)償。
[0020]7.驗(yàn)證再標(biāo)定。對經(jīng)過改進(jìn)或誤差補(bǔ)償后的旋變測角系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證性的再次標(biāo)定。
[0021]本發(fā)明有如下有益效果:[0022]采用軟件校正的方法補(bǔ)償圓光柵的安裝誤差，降低硬件成本；利用不同外部基準(zhǔn)的特點(diǎn)，不僅可實(shí)現(xiàn)旋變的靜態(tài)標(biāo)定，而且可進(jìn)行靈活多樣的動態(tài)標(biāo)定；通過對旋變測角系統(tǒng)進(jìn)行全面標(biāo)定，得到靜態(tài)測角精度、靜態(tài)重復(fù)精度、動態(tài)測角精度、動態(tài)測量范圍等數(shù)據(jù)，可根據(jù)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)和誤差補(bǔ)償，增進(jìn)對旋變測角系統(tǒng)的研究，提升系統(tǒng)測角精度。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0023]圖1是本發(fā)明的旋變靜態(tài)和動態(tài)標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0024]圖中:1.工作平臺； 2.驅(qū)動轉(zhuǎn)臺；3.機(jī)械軸系；
[0025]4.光電自準(zhǔn)直儀； 5.金屬多面棱體； 6.旋轉(zhuǎn)變壓器；
[0026]7.圓光柵及讀數(shù)頭； 8.信號處理及采樣時統(tǒng)電路；
[0027]9.工作計算機(jī)。
[0028]圖2是基準(zhǔn)圓光柵考慮安裝偏心后的誤差曲線圖。
[0029]圖3是旋變定子支撐方案示意圖及支撐結(jié)構(gòu)的頂視圖。
[0030]圖中:10.機(jī)械軸； 11.旋變轉(zhuǎn)子；12.旋變定子；
[0031]13.支撐結(jié)構(gòu)；14.定子螺釘；15.支撐結(jié)構(gòu)螺釘；
[0032]16.轉(zhuǎn)臺固定部分； 17.圓光柵讀數(shù)頭；18.光柵盤。
[0033]圖4是本發(fā)明的旋變靜態(tài)和動態(tài)標(biāo)定方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】:
[0034]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)ー步的詳細(xì)說明:
[0035]將某空間光電轉(zhuǎn)臺使用的無刷雙通道旋變及其配套電路作為待標(biāo)定系統(tǒng)，采用AD公司的軸角轉(zhuǎn)換芯片AD2S80完成旋變信號解算，轉(zhuǎn)換位數(shù)為21位，角度分辨率為0.618"，標(biāo)稱測角精度±15〃，測量轉(zhuǎn)速小于5r/min。
[0036]金屬多面棱體采用23面體，等級為I級，工作角偏差為±2〃，工作角測量不確定度±0.5〃。光電自準(zhǔn)直儀采用德國的TriAngle電子自準(zhǔn)直儀，在大約0.5°的視場范圍內(nèi)分辨率達(dá)到0.01〃，精度0.75〃。二者配合后，在小范圍內(nèi)可達(dá)到±2.2〃的精度，比旋變高出5倍以上，且測量穩(wěn)定可靠，可用于旋變的靜態(tài)標(biāo)定及圓光柵的安裝誤差校正。
[0037]基準(zhǔn)圓光柵采用Renishaw公司的RESM型增量式圓光柵及其配套的讀數(shù)細(xì)分電路，圓光柵刻劃柵距20um，直徑100mm，經(jīng)過400細(xì)分后的角度分辨率為0.2〃，標(biāo)稱系統(tǒng)精度±2.23"，但安裝偏心可能使精度下降至±9〃左右(如附圖2所示)，因此有必要在初次安裝后進(jìn)行校正。受限于標(biāo)定設(shè)備的精度和圓光柵自身的系統(tǒng)精度，校正后的圓光柵精度最多達(dá)到3〃左右，但已足夠用于標(biāo)定旋變。圓光柵測量轉(zhuǎn)速達(dá)200r/min，動態(tài)性能優(yōu)良，故用于旋變的動態(tài)標(biāo)定。
[0038]具體的標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)如附圖1所示，各部分名稱和相互關(guān)系如前文所述。具體實(shí)施時，工作平臺I可采用光學(xué)氣浮平臺，光電自準(zhǔn)直儀高度調(diào)整至合適位置，利用螺釘進(jìn)行緊固，保證平臺穩(wěn)定。驅(qū)動轉(zhuǎn)臺2采用Aerotech公司的AGR系列,工作速度達(dá)180° /s,可方便地利用指令進(jìn)行啟停操作，并可利用編程生成各種運(yùn)動曲線，實(shí)現(xiàn)自動化的動態(tài)標(biāo)定。機(jī)械軸系3需要根據(jù)各部件的機(jī)械尺寸進(jìn)行設(shè)計。需要說明的是，旋變的轉(zhuǎn)子隨機(jī)械軸轉(zhuǎn)動，而定子應(yīng)該安裝在固定部件上，并與轉(zhuǎn)子保持穩(wěn)定間隙，因此需要設(shè)計專門的旋變定子支撐結(jié)構(gòu)。
[0039]一種可行的定子支撐方案如附圖3所示。機(jī)械軸10隨轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，旋變轉(zhuǎn)子11安裝在機(jī)械軸上，旋變定子12由橋梁式支撐結(jié)構(gòu)13進(jìn)行支撐，由螺釘14將二者固定在一起，支撐結(jié)構(gòu)13的下部與轉(zhuǎn)臺固定部分16緊密接觸，并利用螺釘15進(jìn)行固定，從而完成旋變定子的支撐和固定。同吋，圓光柵的讀數(shù)頭17也被安裝固定在支撐結(jié)構(gòu)13上面，與安裝在軸系上的光柵盤18形成相對運(yùn)動。附圖3下方給出了定子支撐結(jié)構(gòu)13的頂視圖。在安裝圓光柵和旋變時，需要使用百分表，利用螺釘、墊片等進(jìn)行微調(diào)，保證裝配良好，盡量減小安裝引起的測量誤差。
[0040]待準(zhǔn)備完畢后，按照附圖4所示的標(biāo)定流程進(jìn)行標(biāo)定，各步驟的對應(yīng)內(nèi)容如上文所示。標(biāo)定完成后，可獲得旋變的靜態(tài)和動態(tài)誤差，并進(jìn)行誤差補(bǔ)償或?qū)y角系統(tǒng)進(jìn)行改迸。
【權(quán)利要求】
1.一種旋轉(zhuǎn)變壓器靜態(tài)和動態(tài)測角精度標(biāo)定裝置，它包括:工作平臺(1)，驅(qū)動轉(zhuǎn)臺(2)，機(jī)械軸系(3)，光電自準(zhǔn)直儀(4)，金屬多面棱體(5)，旋轉(zhuǎn)變壓器(6)，圓光柵及讀數(shù)頭(7)，信號處理及采樣時統(tǒng)電路(8)，工作計算機(jī)(9)，其特征在于: 所述的工作平臺(I)為隔振水平穩(wěn)定平臺；所述的驅(qū)動轉(zhuǎn)臺(2)與機(jī)械軸系(3)相聯(lián)，所述的金屬多面棱體(5)、待測旋變(6)和圓光柵及讀數(shù)頭(7)同軸安裝在機(jī)械軸系(3)上；所述的光電自準(zhǔn)直儀(4)水平放置在工作平臺(I)上且與金屬多面棱體(5)同高，其中心軸線與機(jī)械軸系(3)中心線垂直；所述的信號處理及采樣時統(tǒng)電路(8)對旋變和圓光柵的角度信號進(jìn)行調(diào)理，完成AD采樣及時統(tǒng)后送入工作計算機(jī)(9)進(jìn)行處理。
2.ー種基于權(quán)利要求1所述裝置的旋轉(zhuǎn)變壓器靜態(tài)和動態(tài)標(biāo)定方法，其特征在于包括以下步驟: 1)標(biāo)定準(zhǔn)備工作:準(zhǔn)備工作包括工作平臺(I)的調(diào)整，機(jī)械軸系(3)的安裝，金屬多面體(5)、旋變(6)、圓光柵(7)的安裝，電路板(8)的配置，以及其他相關(guān)的設(shè)備安裝和配置； 2)基準(zhǔn)圓光柵校正:轉(zhuǎn)動驅(qū)動轉(zhuǎn)臺(2)，利用金屬多面體(5)的工作面和光電自準(zhǔn)直儀(4)的讀數(shù)得到角度真值，同時讀取圓光柵(7)的測量值，完成整周測量，利用最小ニ乘擬合或其他方法進(jìn)行軟件補(bǔ)償，校正圓光柵(7)的安裝誤差； 3)靜態(tài)標(biāo)定:轉(zhuǎn)動驅(qū)動轉(zhuǎn)臺(2)，利用金屬多面體(5)的工作面和光電自準(zhǔn)直儀(4)的讀數(shù)得到角度真值，同時讀取旋變(6)的測量值，可得到整周內(nèi)的旋變靜態(tài)誤差曲線，也可以對不同位置的靜態(tài)重復(fù)精度進(jìn)行測量； 4)動態(tài)標(biāo)定:控制驅(qū)動轉(zhuǎn)臺(2)以特定角速度或角加速度運(yùn)動，記錄同時刻下的旋變(6)的測角值和圓光柵(7)的測角值，以后者作為角度真值，得到旋變(6)的動態(tài)誤差曲線；改變運(yùn)動狀態(tài)，得到不同情況下的動態(tài)誤差，也可得到旋變(6)的動態(tài)測量范圍； 5)數(shù)據(jù)處理與分析:對測得的靜態(tài)和動態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，動態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)要保證時間碼對齊，剔除野值，繪出誤差曲線，對結(jié)果進(jìn)行分析； 6)系統(tǒng)改進(jìn)與誤差補(bǔ)償:根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，評價旋變測角系統(tǒng)的工作性能，考慮對系統(tǒng)進(jìn)行必要的硬件改進(jìn)；結(jié)合誤差曲線，利用數(shù)據(jù)擬合的方法進(jìn)行誤差的軟件補(bǔ)償； 7)驗(yàn)證再標(biāo)定:對經(jīng)過改進(jìn)或誤差補(bǔ)償后的旋變測角系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證性的再次標(biāo)定。
【文檔編號】G01D18/00GK103499365SQ201310469882
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月10日
【發(fā)明者】白帥, 賈建軍, 張亮, 楊明冬 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所