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一種新穎簡(jiǎn)單 成本低四自由度角索引校準(zhǔn)的精密轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù) W Jywe a C J Chenb W H Hsieha P D Linb H H Jwoa T Y Yanga 摘要 標(biāo)定一個(gè)角旋轉(zhuǎn)工作臺(tái) 無(wú)論是高精度的標(biāo)準(zhǔn)還是相關(guān)的光學(xué)激光干涉儀一般使 用成本都非常高 本文建立了一個(gè)新穎 簡(jiǎn)單 低成本的技術(shù)來(lái)校準(zhǔn) 4 度 的自由度 自由度 誤差 由使用一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)一整圈 360 三角位置誤差和一個(gè)線性位置誤差 一個(gè)參考回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 一個(gè) 1 維 1D 光柵和兩個(gè) 2 二維 2D 的位置感應(yīng)探測(cè)器 PSD 的 利用這種技術(shù) 沒(méi)有使用高度準(zhǔn)確參考轉(zhuǎn)盤(pán) 但是測(cè)試是具有良好的重復(fù) 性 經(jīng)過(guò)兩個(gè)大圈的測(cè)試 無(wú)論是目標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)的四自由度誤差和參考轉(zhuǎn)盤(pán)可以測(cè)得 系統(tǒng) 校準(zhǔn) 穩(wěn)定性測(cè)試 系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證和完整圓的測(cè)試的完成 該系統(tǒng)的角度穩(wěn)定性小于 2 弧秒 而位移穩(wěn)定性小于 1 2 毫米 2007 埃爾塞維爾有限公司保留所有權(quán)利 關(guān)鍵詞 旋轉(zhuǎn)表校準(zhǔn) 全循環(huán)試驗(yàn) 光柵 位置傳感探測(cè)器 4 自由度測(cè)量 誤差分離 1 簡(jiǎn)介 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是經(jīng)常用于有關(guān)工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)床 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和組裝線 因此 轉(zhuǎn) 盤(pán)校準(zhǔn)非常重要 該轉(zhuǎn)盤(pán)校準(zhǔn)要求角度測(cè)量?jī)x 與傳統(tǒng)儀器是旋轉(zhuǎn)編碼器 激光干涉儀 的自準(zhǔn)直儀測(cè)量精確程度 一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器是常用的索引中測(cè)量工具 例如 一對(duì)多軸 轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床 機(jī)器人的關(guān)節(jié) 機(jī)器主軸工具和滾珠絲杠索引 然而 旋轉(zhuǎn)編碼器只對(duì)誤差 的測(cè)量適當(dāng) 激光干涉儀經(jīng)常被用來(lái)衡量一個(gè)小角 但它只能測(cè)試過(guò)程中獲取一個(gè)索引 誤差 一個(gè)自準(zhǔn)直儀是經(jīng)常用于測(cè)量小角度 它可以應(yīng)用到兩個(gè)二維 平面 測(cè)角 俯 仰誤差和仰角誤差 但其測(cè)量范圍小 而且它要求有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的多棱鏡 旋轉(zhuǎn)臺(tái)有 6 個(gè)自由度誤差 三線性位置誤差和 3 個(gè)角位置 誤差 但是傳統(tǒng)儀器只能測(cè)量任一維 1D 誤差或 2D 的誤差 該一個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)完整的校準(zhǔn)過(guò)程需要 360 自由度測(cè)量一大圈 但 此測(cè)量技術(shù)測(cè)量時(shí)大多數(shù)測(cè)量系統(tǒng)范圍小于 10 因此 激光測(cè)量范圍干涉儀和自準(zhǔn) 直儀的測(cè)量范圍時(shí)不夠的 而且他們非常昂貴 傳統(tǒng)的校準(zhǔn)技術(shù)在轉(zhuǎn)盤(pán)校準(zhǔn)時(shí)需要一個(gè) 完整的圓 360 一個(gè)參考轉(zhuǎn)盤(pán) 它必須具有較高的準(zhǔn)確度和高重復(fù)性 作者引用旋轉(zhuǎn)表 的誤差相對(duì)測(cè)量結(jié)果便可以被忽略 該儀器通常被記錄一次 當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 旋轉(zhuǎn)的參考轉(zhuǎn)盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 一般來(lái)說(shuō) 一個(gè)旋轉(zhuǎn) 360 表一整圈校準(zhǔn)記錄需要 36 此 即測(cè)量系統(tǒng)采樣周期 10 如果經(jīng)過(guò)一個(gè)更完整的測(cè)試實(shí)施 那么校準(zhǔn)過(guò)程將需要更長(zhǎng) 的時(shí)間 一般來(lái)說(shuō) 旋轉(zhuǎn)表包括的誤差 擺動(dòng)誤差和偏心率 但是傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)表校準(zhǔn)技術(shù) 激光干涉儀或自動(dòng)準(zhǔn)直器 只校準(zhǔn)索引誤差和擺動(dòng)指數(shù)誤差 然而 高精確度旋轉(zhuǎn)表 必須校準(zhǔn)的更多細(xì)節(jié) 通過(guò)完整的旋轉(zhuǎn)表校準(zhǔn) 旋轉(zhuǎn)臺(tái)的誤差可以補(bǔ)償 在本文中 旋 轉(zhuǎn)表中的誤差六自由度定義 即三個(gè)線性位置誤差和三個(gè)角位置誤差 近年來(lái) 測(cè)角技術(shù)已是重點(diǎn)的干涉方法 1992 年 黃 等 建立了小角度測(cè)量系統(tǒng) 這是基于在一個(gè)玻璃內(nèi)部邊界反射效果和菲涅耳定律 在黃的制度 分辨率為 0 2 弧秒 測(cè)量范圍為 3 弧秒 1996 年 小麗等人 建立了一個(gè)二維小旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量系統(tǒng) 使用 兩種不同并行干擾模式 畫(huà)中畫(huà) 這些正交對(duì)方 對(duì)小麗的體系標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0 6 弧秒 在接下來(lái)的一年小麗等 改進(jìn)他們的系統(tǒng) 以便其分辨率為 0 2 弧秒 測(cè)量范圍為 30 弧分 1997 年 邱等人 建立了一種改進(jìn)的角測(cè)量技術(shù)與分辨率 0 333 弧秒 測(cè)量范圍 為 5 6 在其最佳性能 系統(tǒng)的分辨率 0 288 弧秒 1998 年 周 蔡 8 建立了一 個(gè)角度測(cè)量技術(shù) 它是根據(jù) 2005 年第 09 全內(nèi)反射效應(yīng)和外差干涉 系統(tǒng)的分辨率優(yōu)于 0 3 弧秒這取決于所選指數(shù)折射 1998 年 還 等 建立了測(cè)角基法在內(nèi)部的反射效 果 即使用了一個(gè)直角棱鏡 他們表明 角度測(cè)量與 500 弧分范圍 非線性誤差 0 1 而 0 1 弧秒分辨率可隨時(shí)實(shí)現(xiàn) 1999 年 郭等人開(kāi)發(fā)了一種光學(xué)小角度測(cè)量 方法的基礎(chǔ)上表面等離子體共振 SPR 和測(cè)量分辨率 0 2 弧秒 達(dá)到了實(shí)驗(yàn) 2003 年 葛 和麥克開(kāi)發(fā)了一種在此角度測(cè)量技術(shù)分析的基礎(chǔ)上的條紋相位測(cè)量輪廓 測(cè)量范圍 為 2160 弧秒 并從線性偏差優(yōu)于 0 02 弧秒 2004 年 邱等人 開(kāi)發(fā)了一種小角度 測(cè)量使用多個(gè)總外差干涉內(nèi)部分析 而角分辨率優(yōu)于 0 454 弧秒在測(cè)量范圍 1 12 2 12 得以在 20 以內(nèi)的數(shù)值 大多數(shù)角度測(cè)量技術(shù)的研究重點(diǎn)在 1D 角度測(cè)量 干涉角度測(cè)量和 2D 干涉測(cè)量技術(shù) 但是 昂貴而復(fù)雜的干涉系統(tǒng) 不能被廣泛用于工業(yè) 因此 成本低 多自由度測(cè)量系 統(tǒng)在轉(zhuǎn)臺(tái)校準(zhǔn)時(shí)是非常重要的 位置傳感探測(cè)器 位置感應(yīng)探測(cè)器 可用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)部 分誤差 回轉(zhuǎn)體零件的速度 旋轉(zhuǎn)方向扶輪的一部分角位置和誤差 Jywe 等 采用兩 種位置傳感器和一個(gè)反射光柵測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的性能 但其測(cè)量范圍非常小 11 沒(méi)有完整 的圓試驗(yàn)來(lái)提供整個(gè)圓的測(cè)量 然而 對(duì)于一般轉(zhuǎn)盤(pán)校準(zhǔn)的 360 整圈的測(cè)試是必要的 這兩個(gè)文件描述了一個(gè) 4 自由度測(cè)量系統(tǒng)的建設(shè)并建立一種新的技術(shù)轉(zhuǎn)盤(pán)一圈測(cè)試 四 自由度系統(tǒng) 本文提出包括一維反射光柵 一個(gè)激光二極管 四個(gè)位置傳感器及一個(gè)參 考回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 干涉儀和自準(zhǔn)直儀是常用的轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)量系統(tǒng) 然而 在轉(zhuǎn)臺(tái)校準(zhǔn)過(guò)程中 激光干涉儀 和自準(zhǔn)直儀分別需要高精確度參考轉(zhuǎn)盤(pán)和一個(gè)多棱鏡 因此 使用激光干涉儀或自準(zhǔn)直 儀進(jìn)行校準(zhǔn)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是昂貴的 此外 在提出的方法 沒(méi)有高準(zhǔn)確的參考轉(zhuǎn)盤(pán) 但具有良好的重復(fù)性是必要的 即使索引誤差和幾何誤差參考轉(zhuǎn)盤(pán)大 他們將獲得所提 出的方法 2 四自由度測(cè)量系統(tǒng) 在這個(gè)文件中 四自由度測(cè)量系統(tǒng)包括一個(gè)參考回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 一維光柵 一個(gè)激光二極 管 傳感器 反射光柵和兩個(gè)處理器 一個(gè) A D 卡和一臺(tái)個(gè)人電腦 PC 圖 1 給出 了電路圖 該參考轉(zhuǎn)盤(pán)被放置在目標(biāo)旋轉(zhuǎn) 然后一維光柵上由夾具回轉(zhuǎn)工作臺(tái)安裝表 激光二極管和位置傳感器被放在光柵的附近 從激光束激光二極管是一維光柵投影到一 維光柵 然后產(chǎn)生了許多衍射光束 在這個(gè)文件中 1 和 1 級(jí)衍射光束被使用 兩個(gè) 傳感器被用來(lái)檢測(cè)衍射光束 一般來(lái)說(shuō)定義在轉(zhuǎn)臺(tái)的六幾何誤差 即三個(gè)線性位置誤差 和三個(gè)角位置誤差 在此外 還有之間的光柵和偏心軸的轉(zhuǎn)盤(pán) 這是因?yàn)?Dx 和 Dy 定義 3 應(yīng)全面圈測(cè)試模型 大多數(shù)儀器的測(cè)量范圍為小于 10 所以一個(gè)完整的校準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤(pán)需要一種特殊的方法 在正常轉(zhuǎn)臺(tái)校準(zhǔn) 自準(zhǔn)直儀使用一個(gè)多邊形鏡子和激光干涉儀并且使用一個(gè)參考回轉(zhuǎn)工 作臺(tái) 在這試驗(yàn)中 該技術(shù)還需要一個(gè)參考旋轉(zhuǎn)表 但參考轉(zhuǎn)盤(pán)要求測(cè)試參考旋轉(zhuǎn)臺(tái)的 誤差必須可重復(fù)的 1994 年 林建立了一個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)校準(zhǔn)技術(shù) 它可以測(cè)量索引誤差為 360 的整圈回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 然而 該技術(shù)只能單次測(cè)量誤差 因此 一個(gè)改良的方法是 成立于本節(jié) 當(dāng)旋轉(zhuǎn)的誤差參考表進(jìn)行了審議 對(duì)旋轉(zhuǎn)的幾何誤差表是 其中 z 是目標(biāo)指數(shù)之間的差異旋轉(zhuǎn)表和參考表 并累計(jì)在不同的校準(zhǔn)程序 這 x y x y 和 z 不累積 因?yàn)橐徽y(cè)試需要兩個(gè)試驗(yàn)中 目標(biāo)轉(zhuǎn)盤(pán)和參 考轉(zhuǎn)盤(pán)重復(fù)性一定要做好 否則測(cè)量結(jié)果將不會(huì)重復(fù) 該校準(zhǔn)技術(shù)的基本要求是 目標(biāo)下校準(zhǔn)可旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)作為參考不同方向旋轉(zhuǎn)相同的步 長(zhǎng) 即對(duì)順時(shí)針和逆時(shí)針的比較 每個(gè)部門(mén)根據(jù)測(cè)試表進(jìn)行了比較與每一個(gè)部門(mén)的參考 以建立第一組數(shù)據(jù) 例如 有一個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行了測(cè)試 12 點(diǎn)左右 360 角位置 即 0 30 60 330 這是等距離的目標(biāo)轉(zhuǎn)盤(pán)和參考轉(zhuǎn)盤(pán)分割 同時(shí)在測(cè)試開(kāi)始后 的第一個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)盤(pán)和參考轉(zhuǎn)盤(pán) 分別定為 0 第一組數(shù)據(jù)是由個(gè)人電腦所提取 然后 目標(biāo)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 30 和參考旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 30 第二組數(shù)據(jù)由個(gè)人 電腦所提取 從上面的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中 可以得出以下關(guān)系 其中 z1n 是第一組角讀數(shù)和 N 是超過(guò) 360 增量 zt1 下標(biāo) t 象征目標(biāo)轉(zhuǎn)盤(pán) 下標(biāo)為 r 是指參考轉(zhuǎn)盤(pán)的誤差 在第二次測(cè)試的一圈中 再次將目標(biāo)轉(zhuǎn)盤(pán)和參考轉(zhuǎn)盤(pán)設(shè)置為 0 參考旋轉(zhuǎn)工作臺(tái) 例如 30 后參考旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 樣品采取的第一套 然后 目標(biāo)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)順 時(shí)針旋轉(zhuǎn) 30 參考旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn) 30 反順時(shí)針再次采樣 從上面的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中 第 二次測(cè)試的結(jié)果令人滿意 然后 整理轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)系 可以得出 其中 z2n 是第二組角讀數(shù)和 N 是超過(guò) 360 的增量 測(cè)量?jī)山M數(shù)據(jù)可以被重新安 排如下 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 在這個(gè)文件中 對(duì) 4 自由度計(jì)量校準(zhǔn)系統(tǒng) 系統(tǒng)穩(wěn)定性 系統(tǒng)驗(yàn)證和全圓測(cè)試的完 成 系統(tǒng)的照片如圖 2 所示 組件圖 2 中沒(méi)有顯示附上通過(guò)臺(tái)式 PC 連接到位置感應(yīng)探測(cè) 器的信號(hào) 處理器 A D 卡 該元件的規(guī)格分別列在表 1 4DOF 試驗(yàn)系統(tǒng) 4 1 系統(tǒng)校準(zhǔn) 系統(tǒng)校準(zhǔn)是第一個(gè)實(shí)驗(yàn) 在這實(shí)驗(yàn)中 用自準(zhǔn)直儀波特角位置提供參考 其測(cè)量范 圍為 410 弧秒 分辨率為 0 02 弧秒 精度為 0 5 弧秒 圖 3 a 給出了校準(zhǔn)結(jié)果 圖 3 b 中給出了系統(tǒng)不確定性的標(biāo)準(zhǔn)差 在整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程中 顯然 良好的 z 線性和的 z不確定度約為 1 5 弧秒 角位置 z 的 4 自由度測(cè)量測(cè)量范圍約為 1 因?yàn)閹缀跛械臏y(cè)量位置感應(yīng)探測(cè)器的范圍應(yīng)用 4 2 系統(tǒng)的穩(wěn)定性試驗(yàn) 系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗(yàn)是第二次實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室條件下正常的平衡狀態(tài) 即無(wú) 特殊溫度或振動(dòng)隔離 允許穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià) 然后連續(xù)記錄為 4000 秒的輸出信號(hào)圖 4 表明 原型系統(tǒng)的基本是穩(wěn)定合理的 即沒(méi)有特殊的隔離或過(guò)濾依然在 1 2 毫米 x y和 z 在 4000s內(nèi) 1 5 弧秒 4 3 系統(tǒng)驗(yàn)證 系統(tǒng)驗(yàn)證是第三個(gè)實(shí)驗(yàn) 自準(zhǔn)直儀也被用來(lái)驗(yàn)證 4 自由度測(cè)量系統(tǒng) 因?yàn)樗?以同時(shí)進(jìn)行對(duì) x和 y的測(cè)量 設(shè)置的自準(zhǔn)直儀在光柵背面 當(dāng)全部循環(huán)試驗(yàn)實(shí)施和誤 差分離方法沒(méi)有用時(shí) 自準(zhǔn)直儀記錄了目標(biāo)轉(zhuǎn)盤(pán)和參考轉(zhuǎn)盤(pán)誤差總和 4 自由度的自準(zhǔn) 直儀測(cè)量系統(tǒng)可記錄一次 當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一次 并再次測(cè)試參考轉(zhuǎn)盤(pán)逆時(shí)針旋 轉(zhuǎn)的程度 圖 5 顯示了該系統(tǒng)的核查結(jié)果 結(jié)果對(duì) 4 自由度自準(zhǔn)直儀的測(cè)量系統(tǒng)類似 所以 4 自由度數(shù)學(xué)模型測(cè)量制度是正確的 4 4 全部循環(huán)測(cè)試 完整的循環(huán)測(cè)試是最后的實(shí)驗(yàn) 是在第 3 條所述 該 4 自由度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍 為 1 左右 要完成一整圈測(cè)試的時(shí)間 如果必須采取唯一位置感應(yīng)探測(cè)器 2 位置感 應(yīng)探測(cè)器 的使用 只有一組位置感應(yīng)探測(cè)器的要求記錄在第一和第二次測(cè)試 至少 72 0 分 因此 4 個(gè)位置感應(yīng)探測(cè)器來(lái)建立系統(tǒng) 位置感應(yīng)探測(cè)器 A 和 B 設(shè)置為位置感應(yīng) 探測(cè)器意義上的 1 級(jí)衍射光時(shí)的參考轉(zhuǎn)臺(tái)角位置是 0 然后 位置感應(yīng)探測(cè)器的 C 和 D 設(shè)置為位置感應(yīng)探測(cè)器意義上的 1 級(jí)衍射光時(shí)的參考轉(zhuǎn)臺(tái)角位置是在 5 在整 圈測(cè)試 位置感應(yīng)探測(cè)器 C 和位置感應(yīng)探測(cè)器 B 的一個(gè)用于第一次測(cè)試 而位置感應(yīng) 探測(cè)器 C 和 D 組用于第二次測(cè)試 因此 一個(gè)完整的循環(huán)測(cè)試只需要記錄在第一和第二 次測(cè)試 72 分 經(jīng)過(guò)兩年試驗(yàn)完成后 上述方法在第 3 節(jié)是用來(lái)隔離的目標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)和參考轉(zhuǎn)臺(tái)的誤差 測(cè)試結(jié)果如圖所示 6 一 d 及 六 H 分別為目標(biāo)和參考轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn) 臺(tái)的誤差 在參考轉(zhuǎn)臺(tái)角位置誤差均高于目標(biāo)轉(zhuǎn)盤(pán) 但是 誤差是相似的 目標(biāo)轉(zhuǎn)盤(pán)的 y x y 和 z 約有 2 85 毫米 330 620 和 270 弧秒 分別為 y x y 和 z 轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)了一下 分別為 2 90 毫米 210 500 和 250 弧秒 在 y 大是因?yàn)閮烧咧g的反射光柵表面和轉(zhuǎn)盤(pán)的中心軸偏心距較大 要調(diào)整目標(biāo) 之間的轉(zhuǎn)盤(pán) 轉(zhuǎn)盤(pán)參考偏心是容易的 但要調(diào)整光柵之間的偏心回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是困難的 因?yàn)閷?duì)光柵和旋轉(zhuǎn)表是不同的幾何 5 結(jié)論 本文建立了一個(gè)新穎 簡(jiǎn)單 低成本的校準(zhǔn)技術(shù) 360 全圓旋轉(zhuǎn)表 三角位置誤差 和位置誤差的線性 的 4 自由度的誤差 利用這種技術(shù) 沒(méi)有高度準(zhǔn)確的參考轉(zhuǎn)盤(pán) 但 是具有良好的重復(fù)性是必要的 經(jīng)過(guò)充分循環(huán)試驗(yàn) 目標(biāo)和參考轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的四自由度 誤差可能確定 系統(tǒng)校準(zhǔn) 穩(wěn)定性試驗(yàn) 系統(tǒng)驗(yàn)證和測(cè)試已經(jīng)完成了一圈 從整個(gè)體系 的校準(zhǔn) 測(cè)量不確定度角系統(tǒng) 宰 小于 1 5 弧秒 該系統(tǒng)的角度穩(wěn)定性小于 2 弧秒 而位移穩(wěn)定性小于 1 2mm