[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】一种新颖简单，成本低四自由度角索引校准的精密转台技术-中文翻译

一种新颖简单，成本低四自由度角索引 校准的精密转台技术 W. Jywe a, C.J. Chenb , W.H. Hsieha , P.D. Linb , H.H. Jwoa , T.Y. Yanga 摘要： 标定一个角旋转工作台，无论是高精度的标准还是相关的光学激光干涉仪一般使用成本都非常高。本文建立了一个新颖，简单，低成本的技术来校准 4 度 -的自由度（自由度）误差 由使用一个可以旋转一整圈 360（三角位置误差和一个线性位置误差）一个参考回转工作台，一个 1 维（ 1D）光栅和两个 2 二维（ 2D）的位置感应探测器（ PSD）的。利用这种技术，没有使用高度准确参考转盘，但是测试是具有良好的重复性。经过两个大圈的测试，无论是目标转台的四自由度误差和参考转盘可以测得。系统校准，稳定性测试，系统测试验证和完整圆的测试的 完成。 该系统的角度稳定性小于 2弧秒，而位移稳定性小于 1.2 毫米。 2007 埃尔塞维尔有限公司保留所有权利。 关键词：旋转表校准，全循环试验 ;光栅 ;位置传感探测器 ; 4 自由度测量 ;误差分离 1.简介 回转工作台是经常用于有关工业生产的机床，三坐标测量机和组装线。 因此，转盘校准非常 重要。 该转盘校准要求角度测量仪，与传统仪器是旋转编码器，激光干涉仪 的自准直仪测量精确程度。一个旋转编码器是常用的索引中测量工具，例如：一对多轴转台机床，机器人的关节，机器主轴工具和滚珠丝杠索引。然而，旋转编码器只对误差的测量适当。激光干涉仪经常被用来衡量一个小角，但它只能测试过程中获取一个索引误差。一个自准直仪是经常 用于测量小角度，它可以应用到两个二维（平面）测角（俯仰误差和仰角误差 ） ，但其测量范围小，而且它要求有一个标准的多棱镜。旋转台有 6 个自由度 误差（三线性位置误差和 3 个角位置 误差） ，但是传统仪器只能测量 任一维（ 1D）误差或 2D 的误差。该 一个转盘完整的校准过程需要 360自由度测量一大圈，但此测量技术测量时 大多数测量系统范围小于 10。因此，激光测量范围干涉仪和自准直仪的测量范围时不够的，而且他们非常昂贵。 传统的校准技术 在转盘校准时需要一个完整的圆 360一个参考转盘，它必须具有较高的准确度和高重复性。作者引用旋转表的误差相对测量结果便可以被忽略。 该仪器通常被记录一次，当目标 转盘顺时针旋转，旋转的参考转盘逆时针旋转。 一般来说，一个旋转 360表一整圈校准记录需要 36 此，即测量系统采样周期 10。如果经过一个更完整的测试实施，那么校准过程 将需要更长的时间。 一般来说，旋转表包括的误差，摆动误差和偏心率。但是传统的旋转表校准技术（激光干涉仪或自动准直器）只校准索引误差和摆动指数误差。然而，高精确度旋转表必须校准的更多细节。通过完整的旋转表校准，旋转台的误差可以补偿。在本文中，旋转表中的误差六自由度定义，即三个线性位置误差和三个角位置误差。 近年来，测角技术已是重点的干涉方法。 1992 年，黄 等。建立了小角度测量系统这是基于在一个玻璃内部边界反射效果和菲涅耳定律。在黄的制度，分辨率为 0.2 弧秒，测量范围为 3 弧秒。 1996 年，小丽等人。建立了一个二维小旋转角度测量系统，使用两种不同并行干扰模式（画中画），这些正交对方。对小丽的体系标准偏差为 0.6 弧秒。在接下来的一年小丽等。改进他们的系统，以便其分辨率为 0.2 弧秒，测量范围为30 弧分 。 1997 年，邱等人。建立了一种改进的角测量技术与分辨率 0.333 弧秒，测量范围为 5.6。 在其最佳性能，系统的分辨率 0.288 弧秒。 1998 年，周，蔡 8建立了一个角度测量技术，它是根据 2005 年第 09 全内反射效应和外差干涉。系统的分辨率优于 0.3 弧秒 这取决于所选指数折射。 1998 年，还， 等。建立了测角基法 在内部的反射效果，即使用了一个直角棱镜。他们表明，角度测量 与 500 弧分范围，非线性误差 0.1，而 0.1 弧秒分辨率可随时实现。 1999 年，郭等人 开发了一种光学小角度测量方法的基础上表面等离子体共振（ SPR）和测量分辨率 0.2 弧秒，达到了实验。 2003年，葛 和麦克开发了一种在此角度测量技术分析的基础上的条纹相位测量轮廓。测量范围为 2160 弧秒 并从线性偏差优于 0.02 弧秒。 2004 年，邱等人。开发了一种小角度测量使用多个总外差干涉内部分析，而角分辨率优于 0.454 弧秒在测量范围 -1.12=2.12 得以在 20 以内的数值。 大多数角度测量技术的研究重点在 1D 角度测量，干涉角度测量和 2D 干涉测量技术。但是，昂贵 而复杂 的干涉系统 ，不能被广泛用于工业。 因此，成本低，多自由度测量系统在转台校准时是非常重要的。位置传感探测器（位置感应探测器）可用于测量旋转部分误差，回转体零件的速度，旋转方向扶轮的一部分角位置和误差。 Jywe 等。 采用两种位置传感器和一个反射光栅测试转台的性能，但其测量范围非常小（ 11） 没有完整的圆 试验来提供整个圆的测量。然而，对于一般转盘校准的 360整圈的测试是必要的。这两个文件 描述了一个 4 自由度测量系统的建设 并建立一种新的技术转盘一圈 测试。 四自由度系统，本文提出包括一维反射光栅，一个激光二极管，四个位置传感器及一个参考回转工作台。 干涉仪和自准直仪是常用的转台测量系统。然而，在转台校准过程中，激光干涉仪和自准直仪分别需要高精确度参考转盘和一个多棱镜。 因此，使用激光干涉仪或自准直仪进行校准 回转工作台是昂贵的。 此外，在 提出的方法，没有高准确的参考转盘， 但具有良好的重复性是必要的。即使索引 误差和几何误差参考转盘大，他们将获得所提出的方法。 2.四自由度测量系统 在这个文件中，四自由度测量系统包括一个参考回转工作台，一维光栅，一个激光二极管，传感器，反射光栅和两个处理器，一个 A / D 卡和一台个人电脑（ PC） 。 图 1 给出了电路图。 该参考转盘被放置在目标旋转，然后一维光栅上由夹具回转工作台安装表。激光二极管和位置传感器被放在光栅的附近。 从激光束激光 二极管是一维光栅投影到一维光栅，然后产生了许多衍射光束。在这个文件中， +1 和 -1 级衍射光束被使用，两个传感器被用来检测衍射光束。一般来说定义在转台的六几何误差，即三个线性位置误差和三个角位置误差 。 在 此外，还有之间的光栅和偏心轴的转盘，这是因为 Dx 和 Dy 定义。 3.应全面圈测试模型 大多数仪器的测量范围为小于 10，所以一个完整的校准转盘需要一种特殊的方法。 在正常转台校准，自准直仪使用一个多边形镜子和 激光干涉仪并且使用一个参考回转工作台。 在这 试验中，该技术还需要一个参考旋转表，但参考转盘要求测试参考旋转台的误差必须可重复的。 1994 年，林建立了一个转盘校准技术，它可以测量索引误差为360的整圈回转工作台。 然而， 该技术只能单次测量误差。因此，一个改良的方法是成立于本节。当旋转的误差参考表进行了审议，对旋转的几何误差表是 其中 z 是目标指数之间的差异旋转表和参考表，并累计在不同的校准程序。这x， y， x， y 和 z 不累积。因为一整圈测试需要两个试验中，目标转盘和参考转盘重复性一定要做好，否则测量结果将不会重复。 该校准技术的基本要求是，目标下校准可旋转台旋转作为参考不同方向旋转相同的步长，即对顺时针和逆时针的比较。每个部门根据测试表进行了比较与每一个部门的参考，以建立第一组数据。例如，有一个转盘进行了测试， 12 点左右 360角位置（即 03060， ， 330），这是等距离的目标转盘和参考转盘分割。 同时在测试开始后的第一个目标转盘和参考转盘，分别定为 0，第一组数据是由个人电脑所提取。 然后，目标旋转工作台顺时针旋转 30和参考旋转工作台逆时针旋转 30第二组数据由个人电脑所提取。 从上面的实验过程中，可以得出以下关系： 其中 z1n 是第一组角读数和 N 是超过 360增量。 zt1 下标 t象征目标转盘，下标为 r是指参考转盘的误差。 在第二次测试的一圈中，再次将目标转盘和参考转盘设置为 0参考旋转工作台（例如 30）。后参考旋转回转工作台，样品采取的第一套。然后，目标旋转工作台顺时针旋转 30参考旋转工作台旋转 30反顺时针再次采样。从上面的实验过程中，第二次测试的结果令人满意。然后，整理转动的关系，可以得出 ： 其中 z2n 是第二组角读数和 N 是超过 360的增量。 测量两组数据可以被重新安排如下 ： 4.实验结果与讨论 在这个文件中，对 4 自由度计量校准系统，系统稳定性，系统验证和全圆测试的完成。 系统的照片如图。 2 所示。组件图。 2 中没有显示附上通过台式 PC 连接到位置感应探测器的信号 处理器 A / D 卡。该元件的规格分别列在表 1。 4DOF 试验系统 4.1.系统校准 系统校准是第一个实验。在这实验中，用自准直仪波特角位置提供参考。其测量范围为 410 弧秒，分辨率为 0.02 弧秒，精度为 0.5 弧秒。图。 3（ a）给出了校准结果，图。 3（ b）中给出了系统不确定性的标准差。在整个校准过程中，显然，良好的 z线性和的 z不确定度约为 1.5 弧秒。角位置（ z）的 4 自由度测量测量范围约为 1，因为几乎所有的测量位置感应探测器的范围应用。 4.2.系统的稳定性试验 系统稳定性试验是第二次实验。系统通过系统实验室条件下正常的平衡状态（即无特殊温度或振动隔离）允许稳定性进行了评价，然后连续记录为 4000 秒的输出信号图。 4 表明，原型系统的基本是稳定合理的，即没有特殊的隔离或过滤依然在 1.2 毫米， x， y和 z在 4000s内 1.5 弧秒。 4.3.系统验证 系统验证是第三个实验，自准直仪也被用来验证 4 自由度测量系统，因为它可 以同时进行对 x和 y的测量。设置的自准直仪在光栅背面。当全部循环试验实施和误差分离方法没有用时，自准直仪记录了目标转盘和参考转盘误差总和。 4 自由度的自准直仪测量系统可记录一次，当目标转盘顺时针旋转一次，并再次测试参考转盘逆时针旋转的程度。图。 5 显示了该系统的核查结果。结果对 4 自由度自准直仪的测量系统类似，所以 4 自由度数学模型测量制度是正确的。 4.4.全部循环测试 完整的循环测试是最后的实验，是在第 3 条所述。该 4 自由度测量系统的测量范围为 1左右。要完成一整圈测试的时间，如果必须采取唯一位置感应探测器（ 2 位置感应探测器）的使用。只有一组位置感应探测器的要求记录在第一和第二次测试，至少720 分。因此， 4 个位置感应探测器来建立系统。位置感应探测器 A 和 B 设置为位置感应探测器意义上的 1 级衍射光时的参考转台角位置是 0。然后，位置感应探测器的 C 和 D 设置为位置感应探测器意义上的 1 级衍射光时的参考转台角位置是在 5。在整圈测试，位置感应探测器 C 和位置感应探测器 B 的一个用于第一次测试，而位置感应探测器 C 和 D 组用于第二次测试。因此，一个完整的循环测试只需要记录在第一和第二次测试 72 分。 经过两年试验完成后，上述方法在第 3 节是用来隔离的目标转台和参考转台的误差。测试结果如图所示。 6（一） - （ d）及（六） - （ H）分别为目标和参考转盘旋转台的误差。在参考转台角位置误差均高于目标转盘。但是，误差是相似的。目标转盘的y, x， y 和 z 约有 2.85 毫米， 330， 620 和 270 弧秒，分别为。 y， x， y 和 z 转盘转了一下，分别为 2.90 毫米， 210， 500 和 250 弧秒。 在 y 大是因为两者之间的反射光栅表面和转盘的中心轴偏心距较大。 要调整目标之间的转盘，转盘参考偏心是容