非同轴圆光栅测角装置及其测角方法

摘要

本发明公开了一种非同轴圆光栅测角装置及其测角方法，具体涉及精密机械领域。本发明包括光栅角度测量结构，所述光栅角度测量结构的外壳体顶部与双向滑轨结构活动连接，所述双向滑轨结构通过外部支撑连接杆和固定架与测试转台外固定部分相连，所述光栅角度测量结构包括圆光栅和读数头，所述双向滑轨结构由两个高精度的线性滑轨垂直活动连接而成。本发明在校准时，光栅角度测量结构固定在转台上，随测试转台转动。测试转台旋转一周，读数头相对圆光栅也旋转一周，且旋转的角速度也相等。通过测量圆光栅的旋转角度和角速度，从而测得测试转台的方位角度和角速度。

说明书

技术领域

本发明涉及精密机械领域，具体涉及一种非同轴圆光栅测角装置及其测角方法。

背景技术

在数控回转工作台、雷达天线测试转台、多轴工作转台、惯性转台等技术方面，由于测试转台结构的特殊性，安装台面与真正的旋转轴心并不完全重合，在台面很难找到转台的回转中心，而传统的角度测量方法标准器与被测台面的同轴度要求较高，因此在测量过程中很难实现转台与标准器的同轴要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是一种提供拟采用非同轴圆光栅测角法来实现方位角度的测量。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种非同轴圆光栅测角装置，其特征在于：包括光栅角度测量结构，所述光栅角度测量结构的外壳体顶部与双向滑轨结构活动连接，所述双向滑轨结构通过外部支撑连接杆和固定架与测试转台外固定部分相连，所述光栅角度测量结构包括圆光栅和读数头，所述双向滑轨结构由两个高精度的线性滑轨垂直活动连接而成。

进一步的技术方案在于，所述光栅角度测量结构还包括支撑中心轴、滚珠轴承和基座，所述圆光栅安装在支撑中心轴上，所述外壳体 通过滚珠轴承安装在支撑中心轴上，所述读数头安装在外壳体上，所述支撑中心轴过盈压入固定基座内。

进一步的技术方案在于，所述圆光栅与读数头之间有间隔。

进一步的技术方案在于，所述的测试转台外固定部分为支架装置上的辅助支撑座。

进一步的技术方案在于，一种利用非同轴圆光栅测角装置的测角方法，其步骤如下：

1)将测试转台及非同轴圆光栅测角装置固定在支架装置上的辅助支撑座上；

2)调整非同轴圆光栅测角装置使光栅角度测量结构位于测试转台台面回转中心位置附近；

3)使光栅角度测量结构随测试转台转动，双向滑轨结构的滑动部分随光栅角度测量结构前后、左右滑动；

4)保证外壳体带着读数头相对测试转台台面固定不发生角度变化；

5)测试转台旋转一周，通过读取非同轴圆光栅测角装置上读数头的旋转角度和角速度，测得测试转台的方位角度和角速度。

进一步的技术方案在于，所述支架装置包括与连接杆两端连接的固定支架，位于连接杆上的第二线性滑轨，与第二线性滑轨线活动连接的辅助支撑座、与辅助支撑座连接的测试转台。

进一步的技术方案在于，所述固定支架采用三角支撑结构，所述固定支架包括三根支撑杆，所述支撑杆打开后与地面成60°夹角。

进一步的技术方案在于，所述固定支架还包括升降机构和锁紧装置，所述支撑杆由固定杆和多根加长杆组装而成，所述锁紧装置包括锁紧套和锁母，所述的固定杆与加长杆之间以及所述的加长杆与加长杆之间通过锁紧套及锁母相连接，所述升降机构可通过手柄调节高度，使固定支架顶端能通过连接杆与已安装于测试转台台面的光栅角度测量结构连接固定。

进一步的技术方案还在于，所述辅助支撑座底面内嵌弹簧与钢珠结构，所述辅助支撑座与测试转台台面为点接触。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明在校准时，光栅角度测量结构固定在转台上，随测试转台转动。由于滑轨结构固定于台外，滑动部分会随测量结构前后、左右滑动，但外壳体带着读数头相对测试台固定部分不发生角度变化，从而读数头随着外壳体与圆光栅产生相对转动，产生角度变化，其产生的角度与转台转过的角度相等。测试转台旋转一周，读数头相对圆光栅也旋转一周，且旋转的角速度也相等。通过测量圆光栅的旋转角度和角速度，从而测得测试转台的方位角度和角速度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1-3是本发明非同轴圆光栅测角装置结构示意图；

图4是本发明支架装置与测试转台连接的结构示意图；

图5是本发明支架装置与测试转台连接的部分结构示意图；

图6是本发明固定支架结构示意图；

其中:1、光栅角度测量结构；2、双向滑轨结构；3、线性滑轨；4、支撑连接杆；5、圆光栅；6、读数头；7、滚珠轴承；8、支撑中心轴；9、基座；10、外壳体；11、第二线性滑轨；12、辅助支撑座；13、测试转台；14、连接杆；15、支架装置；16、支撑杆；17、加长杆；18、锁母；19、锁紧套；20、固定套；21、手柄；22、升降机构。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-5所示，本发明包括光栅角度测量结构1，光栅角度测量结构1的外壳体10顶部与双向滑轨结构2活动连接，双向滑轨结构2通过外部支撑连接杆4和固定架与测试转台13外固定部分相连，光栅角度测量结构1包括圆光栅5和读数头6，双向滑轨结构2由两个高精度的线性滑轨3垂直活动连接而成。

优选的，光栅角度测量结构1还包括支撑中心轴8、滚珠轴承7和基座9，圆光栅5安装在支撑中心轴8上，外壳体10通过滚珠轴 承7安装在支撑中心轴8上，读数头6安装在外壳体10上，支撑中心轴8过盈压入固定基座9内。

优选的，圆光栅5与读数头6之间有间隔。

优选的，测试转台13外固定部分为支架装置15上的辅助支撑座12。

优选的，一种利用非同轴圆光栅测角装置的测角方法，其步骤如下：

1)将测试转台13及非同轴圆光栅测角装置固定在支架装置15上的辅助支撑座12上；

2)调整非同轴圆光栅测角装置使光栅角度测量结构1位于测试转台13台面回转中心位置附近；

3)使光栅角度测量结构1随测试转台13转动，双向滑轨结构2的滑动部分随光栅角度测量结构1前后、左右滑动；

4)保证外壳体10带着读数头6相对测试转台13台面固定不发生角度变化；

5)测试转台13旋转一周，通过读取非同轴圆光栅测角装置上读数头6的旋转角度和角速度，测得测试转台13的方位角度和角速度。

优选的，支架装置15包括与连接杆14两端连接的固定支架，位于连接杆14上的第二线性滑轨11，与第二线性滑轨11线活动连接的辅助支撑座12、与辅助支撑座12连接的测试转台。

优选的，固定支架采用三角支撑结构，固定支架包括三根支撑杆16，支撑杆16打开后与地面成60°夹角。

优选的，固定支架还包括升降机构22和锁紧装置，支撑杆16由固定杆和多根加长杆组装而成，锁紧装置包括锁紧套19和锁母18，固定杆与加长杆17之间以及的加长杆17与加长杆17之间通过锁紧套19及锁母18相连接，升降机构22可通过手柄21调节高度，使固定支架顶端能通过连接杆14与已安装于测试转台13台面的光栅角度测量结构1连接固定。

优选的，辅助支撑座12底面内嵌弹簧与钢珠结构，辅助支撑座12与测试转台13台面为点接触。

本发明拟采用非同轴圆光栅测角法对测试转台进行测量，实现360度范围内连续动态角度测量。

以雷达天线测试转台为例，

如图1-3所示，光栅角度测量结构1设计时将圆光栅5与读数头6装配在一起，并能产生相对转动。光栅角度测量结构1固定在测试转台13台面靠近回转中心位置，尽量减小光栅角度测量结构1的移动范围。光栅角度测量结构1的外壳体10顶部与双向滑轨结构2活动连接，双向滑轨结构2由两个高精度的线性滑轨3垂直连接而成。双向滑轨结构2通过外部支撑连接杆4和固定架与测试转台13外固定部分相连。

校准时，光栅角度测量结构1固定在测试转台13外固定部分上，随测试转台13转动。由于双向滑轨结构2固定于台外，滑动部分会随光栅角度测量结构前后、左右滑动，但外壳体10带着读数头6相对测试转台13固定部分不发生角度变化，从而读数头6随着外壳体 10与圆光栅5产生相对转动，产生角度变化，其产生的角度与测试转台13转过的角度相等。测试转台13旋转一周，读数头6相对圆光栅5也旋转一周，且旋转的角速度也相等。通过测量圆光栅5的旋转角度和角速度，从而测得测试转台13的方位角度和角速度。

采用非同轴圆光栅测角法，根据其原理分析得出影响方位角测量准确度的主要因素有：圆光栅5的精度、双向滑轨结构2中线性滑轨安装间隙、线性滑轨的变形量。直径200mm圆光栅的最大允许误差为±1″，相对于本项目方位角±0.01°测量准确度的要求可以忽略不计。双向滑轨结构2中线性滑轨安装间隙及线性滑轨的变形量对方位角测量准确度的影响分析如下：

如图1-2所示，测试转台13台面带动光栅角度测量结构1围绕某一圆心旋转，角度测量结构1受切向力F的影响，分解为F₁和F₂两个方向的分力，力F₁使光栅角度测量结构1沿竖直线性滑轨向上滑动，力F₂使竖直线性滑轨沿水平线性滑轨水平移动，从而保证读数头6相对测试转台13台体固定部分不发生相对转动。光栅角度测量结构1与竖直线性滑轨安装间隙、竖直线性滑轨与水平线性滑轨安装间隙以及竖直线性滑轨的刚性强度决定着光栅角度测量结构1的测量准确度，安装间隙对测量结果的影响可通过下式计算：

Δl₁——光栅角度测量结构与竖直线性滑轨安装间隙；

Δl₂——竖直线性滑轨与竖直线性滑轨安装间隙；

Δl₃——竖直线性滑轨刚性强度引起的导轨变形量；

d——圆光栅直径

线性滑轨受力计算公式：

F＝μ×(W+P)+S (2)

F——摩擦力(N)

S——刮油片阻力(N)

μ——摩擦力系数(线性滑轨的摩擦系数约为0.01)

P——预压力(N)

w——运动垂直方向负荷(N)

根据牛顿第三定律，切向力F是两个线性滑轨阻尼力F₁和F₂的合力，线性滑轨的阻尼力相对于线性滑轨的最大承受力可忽略不计，因此线性滑轨在光栅角度测量结构旋转过程中基本上不发生形变，即Δl₃＝0。

高精度线性滑轨安装间隙在5μm，如采用直径为200mm的圆光栅，那么安装间隙对测量结果的影响通过式(1)计算：

双向线性滑轨是满足0.01°测量准确度度要求的。

光栅角度测量结构1(如图3所示)，将圆光栅5通过圆螺母安装在支撑中心轴8上，外壳体10通过2个高精度向心滚珠轴承7安装在支撑中心轴8上。为保证整体结构能够相对平稳灵活转动，拟选用4级高精度轴承。通过工艺保证使光栅角度测量结构1装配后，轴孔同轴，壳体与支撑中心轴8相对转动平稳，减少支撑中心轴8与外壳体10间的摆动，读数头6安装在外壳体10上，使圆光栅5与读数 头6保持适当距离，并与光栅读数头6对准，使圆光栅5与光栅读数头6之间间隙在相对转动过程中控制在有效读数距离范围内，使读数准确可靠。支撑中心轴8过盈压入固定基座9内，使整体结构能够相对平稳灵活转动。

另外，根据非同轴圆光栅测角法原理，固定支架对本校准装置中方位角测量单元起固定支撑作用，其设计、架设的是否合理，将影响方位角的测量结果，因此对固定支架的设计和现场架设成为本发明的难点。

如图4所示，支架装置15采用材料强度高，质量轻的复合缠绕材料制作的可组装伸缩三角支撑的固定支架为最佳方案。

固定支架由升降机构22、支撑杆16、锁紧装置组成。支撑杆16由固定杆和多根加长杆17组装而成，锁紧装置包括锁紧套19和锁母18，固定杆与加长杆17之间以及加长杆17与加长杆17之间通过锁紧套19及锁母18相连接，升降机构可22通过手柄21调节高度，使固定支架顶端能通过连接杆14与已安装于测试转台13台面的光栅角度测量结构1连接固定。

现场校准时采用三角支撑结构，支撑杆16打开后与地面成60°夹角的固定支架，根据台面高度选择相应数量复合材料制成的长度为1m的加长杆17，通过手柄21调节升降机构22的高度使固定支架顶端能通过连接杆14与已安装于台面的方位角度测量单元连接并用圆螺母锁死，起到固定角度测量单元的作用。

常见雷达天线测试转台台面距地面2～3m,根据计算以1m的复合 材料支撑杆为例，每条支撑腿需4根，固定支撑共需24根。另外台面高度超过2～3m后，不仅支撑杆数量需要增加，还需要增加辅助加强筋保障在测量过程中固定支架的稳定，整套校准装置固定支架的复合材料支撑杆约需62根。同时为满足固定支架携带方便现场架设简单的要求，还需通过力学结构分析，合理设计固定支架的组装伸缩结构，并且还可以根据需要在现场使用激光跟踪仪试验、分析，进行结构调整。

第二线性滑轨11两端需要通过连接杆14与固定支架相连接，由于第二线性滑轨11自重原因可能会使连接杆14产生变形，影响支架装置15的稳定性，进而影响测量结果，设计柔性辅助支撑座12，辅助支撑座12底面内嵌弹簧与钢珠结构(如图5所示)，使辅助支撑座12与雷达天线测试转台台面形成点接触，同时能自由滑动，通过弹簧反作用力抵消线性滑轨自重，减小产生的连接杆14变形。

由于雷达天线测试转台结构的特殊性，安装台面与真正的旋转轴心并不完全重合，在台面很难找到转台的回转中心，而传统的角度测量方法标准器与被测台面的同轴度要求较高，因此在测量过程中很难实现转台与标准器的同轴要求。因此采用非同轴圆光栅测角法来实现方位角度的测量。本方法对测量结果准确度的影响量，主要来源于光栅角度测量结构加工及装配程度、双向滑轨结构安装间隙、线性滑轨强度等因素。

另外，双向滑轨结构2对光栅角度测量结构1跟随台面随动起着重要作用。其中线性滑轨3用于直线往复运动场合，拥有高额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。尤其静摩擦力与动摩擦力的差距很小，即使在微量进给时也不会有空转打滑的现象，解析能力与重现性最佳，因此可以实现微米级的定位精度。拟采用高精度线性滑轨，预压后间隙为2μm的线性滑轨，根据式(1)计算，滑轨间隙能满足测量准确度要求。

为了更大力度的减少这些因素的影响，还可以根据需要在实验室及现场分别利用多齿分度台及激光跟踪仪试验、分析，进行结构调整和数据修正，直至测量单元满足雷达天线测试转台的校准需求。

本发明从理论到实践，详细阐述了拟采用非同轴圆光栅测角法对雷达天线测试转台进行测量，实现360度范围内连续动态角度测量。解决了在台面很难找到转台的回转中心的问题，解决了传统的角度测量方法标准器依赖与被测台面的同轴度要求的问题。另外，本发明还可以应用到数控回转工作台、雷达天线测试转台、多轴工作转台、惯性转台等需要测试测试转台方位角度和角速度的技术方面。