李 倩,馬驪群,孫安斌

(1.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué),北京 100191;2.中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所,北京 100095)

IGPS測量網(wǎng)是由兩個(gè)或兩個(gè)以上發(fā)射器組成的測量網(wǎng),通過測量被測點(diǎn)與 IGPS發(fā)射器之間的方位角和俯仰角,且已知兩個(gè)發(fā)射頭距離的情況下,解算出被測點(diǎn)的位置[1].IGPS測量網(wǎng)是通過測量空間角度實(shí)現(xiàn)空間位置測量的裝置.在對其角度的校準(zhǔn)中,需將 IGPS發(fā)射器旋轉(zhuǎn)中心與精密轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心調(diào)整到同軸[2].通過查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)知,傳統(tǒng)的同軸調(diào)整方法為百分表法,將百分表固定在基準(zhǔn)軸上,百分表測量頭沿調(diào)整軸的軸向和徑向與測量軸的外輪廓接觸,兩軸同時(shí)沿同一方向旋轉(zhuǎn)并測量,根據(jù)軸向和徑向跳動調(diào)整測量軸與基準(zhǔn)軸同軸[3].隨著光電技術(shù)的發(fā)展,一些光電敏感元件如 PSD,光電四象限靶標(biāo),CCD等應(yīng)用到同軸的調(diào)整裝置中[4],但上述裝置還是以待調(diào)節(jié)軸系的外輪廓徑向跳動量作為其軸系徑向跳動量進(jìn)行調(diào)整的,因此本文提出了一種不依靠外型尺寸來調(diào)整軸系同軸的方法.

1 同軸調(diào)整原理及方法

1.1 同軸調(diào)整原理

首先從原理上分析同軸調(diào)整方法.由于工件的旋轉(zhuǎn)軸是一個(gè)虛擬的軸,故不可能將它直接測量出來.對于規(guī)則形狀的工件,以外型輪廓為基準(zhǔn)進(jìn)行同軸調(diào)整.該種方法測量出的軸向和徑向跳動量,認(rèn)為完全是由不同軸引起的,無法將軸自身的圓柱度誤差從中分離出來.而對于不規(guī)則形狀的工件,需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)不變的基準(zhǔn),將其不規(guī)則外型轉(zhuǎn)換成一個(gè)虛擬的規(guī)則外形,以規(guī)則外形為基準(zhǔn)進(jìn)行測量,該方法消除了測量原理誤差.

圖1 同軸調(diào)整原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the coaxial adjustment device

由上述調(diào)整原理,設(shè)計(jì)出了如圖1所示的同軸調(diào)整原理圖.首先將 6支 PSD分高低兩層安裝在以精密轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸為中心的同心圓上,保證此時(shí) PSD初始零位點(diǎn)組成的圓為以轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心為圓心的同心圓上,并將此作為基準(zhǔn)進(jìn)行同軸調(diào)整.其次將激光器固定在 IGPS發(fā)射器旋轉(zhuǎn)頭外側(cè),當(dāng)激光器與 IGPS發(fā)射器一起旋轉(zhuǎn)時(shí),激光器掃出的光束形成以發(fā)射器轉(zhuǎn)動中心為圓心的同心圓,利用 6支 PSD對激光光束位置進(jìn)行測量,根據(jù)測量結(jié)果確定兩軸的相互位置關(guān)系.空間中兩軸同軸調(diào)整過程:即將兩條異面直線調(diào)整到同一條直線上.分為兩個(gè)步驟,首先將兩條異面直線調(diào)整成為同一平面內(nèi)的兩條平行線,其次將兩條平行線調(diào)整到一個(gè)交點(diǎn)上,則兩條直線重合.因此,同軸調(diào)整的過程,分為兩軸平行調(diào)整和兩軸同心調(diào)整.

1.2 軸向平行調(diào)整方法

同軸調(diào)整可根據(jù)高低兩層 PSD輸出的相對位置關(guān)系進(jìn)行調(diào)整,如果兩軸處于平行狀態(tài),則同組的兩層 PSD間的相對位置是相同的.圖2(a)為傾斜狀態(tài)下的 IGPS發(fā)射器掃出的大小兩個(gè)同心圓,將兩圓投影到 XOY平面(轉(zhuǎn)臺平面),形成如圖2(b)所示的兩個(gè)非同心近似圓形的橢圓.

圖2 軸向平行調(diào)整示意圖Fig.2 Schematic of axial parallel adjustment

調(diào)整 IGPS發(fā)射器的俯仰,當(dāng)傾斜程度減小到直至兩軸平行時(shí),得到兩個(gè)同心圓.將發(fā)射器旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)一周,6路 PSD分別會顯示一個(gè)數(shù)值.例如 A組 PSD的讀數(shù)分別為 A1,A2,則ΔA=A2-A1;同理分別計(jì)算ΔB,ΔC,找出其中變化的最大點(diǎn)和最小點(diǎn),例如最大為ΔA,最小為ΔC,根據(jù)調(diào)整公式(1)和(2),分別調(diào)節(jié) A向和 C向高低調(diào)節(jié)裝置,調(diào)整完之后,將激光發(fā)射器分別對準(zhǔn)A,B,C向,再次計(jì)算 ΔA,ΔB,ΔC;直到調(diào)整到ΔA=ΔB=ΔC相等為止.

1.3 軸向同心調(diào)整方法

軸向同心調(diào)整是根據(jù)單層 PSD輸出位置與原始零位的相互關(guān)系進(jìn)行調(diào)整的,如果兩軸處于同心位置,則 3支 PSD輸出的相互關(guān)系是相同的.如圖3所示,實(shí)線圓為 PSD原始零位組成的圓,虛線圓為不同心狀態(tài)下激光器掃出的圓,將兩軸調(diào)節(jié)同心后,實(shí)線圓與虛線圓為同心圓.將 3組PSD分別編號為 A,B,C三組,其中上面一層的PSD編號為 1,下面一層的編號為 2.激光束掃過上層 3支 PSD,偏心狀態(tài)下對應(yīng)的讀數(shù)分別為,,;PSD原始安裝同心時(shí)第一組 PSD的輸出為 A o1,B o1,C o1,則有ΔA=-Ao1;同理可計(jì)

算出 ΔB,ΔC;根據(jù)公式(3)和 (4)計(jì)算出偏移量ΔX,ΔY;沿圖2(b)所示的 X,Y的反方向進(jìn)行調(diào)整,當(dāng)ΔA=ΔB=ΔC時(shí)兩軸處于同心狀態(tài).

圖3 同心調(diào)整原理圖Fig.3 Principle diagram of concentric adjustment

該同心和同軸的調(diào)整過程是一個(gè)相互影響的過程,同心調(diào)整時(shí)會影響到同軸調(diào)整的結(jié)果,同軸調(diào)整的結(jié)果同樣也會作用到同心調(diào)整上,整個(gè)調(diào)整過程是一個(gè)步步逼近同軸狀態(tài)的過程,需要進(jìn)行同心與同軸的反復(fù)調(diào)整,才能達(dá)到同軸調(diào)整的理想狀態(tài).

2 系統(tǒng)誤差分析

該系統(tǒng)中,主要誤差源有沿 PSD測量方向機(jī)械安裝定位誤差;PSD測量時(shí)由于雜散光干擾、信號處理模塊不穩(wěn)定、電源不穩(wěn)定、漏電流、溫漂等原因綜合產(chǎn)生的 PSD測量誤差;PSD補(bǔ)償計(jì)算帶來的誤差;整個(gè)調(diào)整過程實(shí)驗(yàn)環(huán)境擾動帶來的誤差.

2.1 PSD安裝定位誤差

PSD準(zhǔn)確安裝定位由兩部分機(jī)械結(jié)構(gòu)保證,一部分為精密旋轉(zhuǎn)軸,它是由一根高精密軸通過與轉(zhuǎn)臺中心的孔精密配合將轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心引出,然后采用兩個(gè)角接觸軸承施加預(yù)緊力來保證軸外圈的旋轉(zhuǎn)軸線與內(nèi)部芯軸軸線重合,從而保證與精密轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸線重合.將激光器固定在精密旋轉(zhuǎn)軸的外側(cè),并隨其一起轉(zhuǎn)動,以此時(shí)激光束位置為基準(zhǔn),將 PSD安裝在等高的位置.另一部分為 PSD安裝盒,PSD安裝盒通過高精度的定位孔,確定 PSD的安裝位置,保證將高低兩層 PSD安裝在與水平面傾斜 30°的平面上.PSD的安裝過程如圖4所示,最終經(jīng)補(bǔ)償后的 PSD安裝精度e1=0.002 mm.

圖4 PSD盒安裝定位圖Fig.4 Sketch map of PSDinstallation boxes machining

2.2 PSD補(bǔ)償與測量誤差

一維 PSD使用過程中,由于 PSD的光敏感區(qū)域?qū)挾葍H為 1 mm,應(yīng)保證光斑小而且能量集中.首先,給激光器安裝一個(gè)h=0.8 mm的孔徑光闌,光源與 PSD距離在 400～ 500 mm范圍內(nèi);經(jīng)光闌衍射后的艾里光斑直徑小于 1 mm,第一亮條紋光斑直徑大于 1 mm,可以保證只有愛里光斑入射在 PSD光敏感區(qū)域上.其次,為了保證光斑能量中心與幾何中心重合,應(yīng)盡量保證激光束沿垂直方向入射在 PSD上[6].

在 20±0.5℃環(huán)境中,入射光波長為 650 nm的條件下對 PSD±5 mm內(nèi)的輸出進(jìn)行標(biāo)定.圖5為未經(jīng)補(bǔ)償?shù)奈恢谜`差分布.圖5中數(shù)據(jù)表明:在±5 mm的量程范圍內(nèi),位置誤差小于±0.025 mm,并且誤差大小與光斑位置呈線性變化,離原點(diǎn)距離越近誤差越小.這說明,一維 PSD與一維移動平臺之間存在微小夾角,導(dǎo)致 PSD的輸出值按一定比例小于實(shí)際移動數(shù)據(jù),采用線性補(bǔ)償?shù)姆椒▉硐⑿A角帶來的誤差.

圖5 PSD測量誤差Fig.5 PSD measurement error

圖6 PSD線性補(bǔ)償后測量誤差Fig.6 PSD measurement er ror after linear compensation

圖6是線性補(bǔ)償后的位置誤差分布圖,觀察經(jīng)線性補(bǔ)償后的數(shù)據(jù),誤差分布規(guī)律性已不明顯.PSD是一種基于 P-N結(jié)的橫向光電效應(yīng)器件,由于電阻率分布不均、漏電流、電源不穩(wěn)定等因素導(dǎo)致 PSD輸出特性受影響.這種誤差規(guī)律變化性較差,采用多項(xiàng)式擬合或者三角函數(shù)擬合不能達(dá)到理想效果.考慮到由于上述原因?qū)е碌恼`差不會發(fā)生突變,其變化趨勢在較小的區(qū)間內(nèi)是按一定規(guī)律緩慢變化的,因此采用分段擬合的方法對其進(jìn)行補(bǔ)償,在滿足補(bǔ)償精度和已有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的條件下選擇適當(dāng)?shù)牟骄?首先,需要對上述方法的合理性做驗(yàn)證.以 0.25 mm為步距讀取 PSD輸出值.取出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中以 0.5 mm為間隔的數(shù)據(jù),將兩相鄰數(shù)據(jù)相加取平均求出中間點(diǎn)數(shù)據(jù),并將該數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)相比較.如圖7所示,實(shí)曲線為實(shí)際測量數(shù)據(jù),虛曲線為分段線性擬合數(shù)據(jù).由圖可知,擬合數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的變化趨勢一致,且在 0.5 mm范圍內(nèi)誤差變化趨勢已經(jīng)趨于緩慢,用 0.5 mm以內(nèi)的小區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償誤差在 0.001 mm以下的精度,因此 PSD的補(bǔ)償誤差e 2=0.001 mm.

圖7 非線性補(bǔ)償中的理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布圖Fig.7 M easurement data and calculation data for nonlinear compensation

圖8 PSD標(biāo)定誤差Fig.8 PSDcalibration error

對于 PSD的測量誤差,需要在較長的時(shí)間內(nèi)對其測量的重復(fù)作出評定.在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為20±0.5℃ 環(huán)境中,經(jīng)過 4 h,8次實(shí)驗(yàn),對 PSD的重復(fù)性進(jìn)行驗(yàn)證.最后用均方差來評定計(jì)算PSD的測量誤差,PSD的測量誤差如圖8所示分布.此時(shí)的測量誤差是信號處理模塊、電源、雜散光、環(huán)境溫度等多項(xiàng)指標(biāo)影響的綜合結(jié)果.最終PSD的測量誤差e3=0.003 mm.

在整個(gè)裝置的調(diào)整過程中,IGPS發(fā)射器旋轉(zhuǎn)頭的輕微晃動,以及實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的不穩(wěn)定性給同軸調(diào)整帶來的誤差,反映到 PSD測量方向上,由環(huán)境擾動帶來的誤差e 4=0.002 mm.

2.3 誤差合成

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的同軸調(diào)整裝置,機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單,使用方便靈活,利用一維 PSD將可自行旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則工件轉(zhuǎn)軸與已知軸調(diào)整到同軸的狀態(tài).裝置中采用上下雙層 PSD,保證了兩轉(zhuǎn)軸在高低位置時(shí)均同心,避免了兩軸在某一截面上處于同心位置,實(shí)際上兩軸線卻處于交叉的情況.該裝置搭建好之后,不僅可以對 IGPS發(fā)射器的角度測量能進(jìn)行校準(zhǔn),還可以對測頭可自行旋轉(zhuǎn)的設(shè)備進(jìn)行測角能力的評定,例如激光跟蹤儀、雷達(dá)等.裝置可以實(shí)現(xiàn)直徑h≤400 mm,高度 200 mm≤h≤800 mm設(shè)備的調(diào)整,而且對于高度較高的設(shè)備,調(diào)整的精度會相應(yīng)地提高.

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