[發明專利]一種旋轉角測量系統的誤差標定方法

有效

• 申請號: 201710397941.7
• 申請日: 2017-05-31
• 公開（公告）號: CN107101597B
• 公開（公告）日: 2019-05-24
• 發明（設計）人: 李杏華;張震楠;房豐洲;黃銀國;黃武
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 張金亭

1.一種旋轉角測量系統的誤差標定方法，其特征在于，所述旋轉角測量系統包括安裝在Z軸上的差分光學測頭和曲面基準件，在所述曲面基準件上設有多組成對布置的曲面組，每組曲面設有一個曲面Ⅰ和曲面Ⅱ，每個曲面組內的曲面Ⅰ和曲面Ⅱ設置在同一直徑上，相鄰兩個曲面組的中心線夾角是β，所述差分光學測頭設有一個數據處理模塊和兩個結構相同的光學測頭，兩個所述光學測頭分別是光學測頭Ⅰ和光學測頭Ⅱ，所述光學測頭的光軸與Z軸平行，所述差分光學測頭位于所述曲面基準件的上方，兩個所述光學測頭光軸間的距離與曲面Ⅰ和曲面Ⅱ中心間的距離相等；所述光學測頭包括激光器、孔徑光闌、反射鏡、分光棱鏡、成像透鏡和CCD相機，所述激光器發出的準直光束經所述孔徑光闌縮成細直光束，細直光束經所述反射鏡后入射到所述分光棱鏡中，1/2能量的反射光束投射到曲面內的任意一點，該點反射的光束經所述分光棱鏡透射后，通過所述成像透鏡成像在所述CCD相機上；所述數據處理模塊根據兩個所述光學測頭的CCD相機中光斑的位置，計算獲得旋轉軸的旋轉角參數；

該標定方法采用激光自準直儀，所述激光自準直儀包括準直光管和平面反射鏡；所述平面反射鏡垂直安裝在所述曲面基準件的軸心處，具體步驟如下：

1)通過標定得出光學測頭Ⅰ的光軸在光學測頭Ⅰ的CCD相機中的位置坐標O′₁(x′_O1,y′_O1)，通過標定得出光學測頭Ⅱ的光軸在光學測頭Ⅱ的CCD相機中的位置坐標O′₂(x′_O2,y′_O2)；

2)選擇所述曲面基準件中的第1曲面組作為起始標定曲面組，使所述旋轉角測量系統處于標定模式；

3)調整所述曲面基準件，使所述曲面Ⅰ位于光學測頭Ⅰ的測量范圍內，所述曲面Ⅱ位于所述光學測頭Ⅱ的測量范圍內，且所述曲面Ⅰ的中心線與所述光學測頭Ⅰ的光軸平行，所述曲面Ⅱ的中心線與所述光學測頭Ⅱ的光軸平行；

4)調整準直光管，使準直光管的光軸處于平面反射鏡中心且與平面反射鏡垂直；此時曲面基準件位于第1曲面組的初始位置處，曲面Ⅰ上對應的測量點為A₁，曲面Ⅱ上對應的測量點為A₂；記錄此時激光自準直儀的讀數和旋轉角測量系統讀數作為標定零點；

5)采用所述激光自準直儀和所述旋轉角測量系統同步針對第1曲面組獲取多個位置處的旋轉角，具體步驟為：

5.1)獲取第1曲面組初始位置處測量點A₁坐標A₁(x₁,y₁)和測量點A₂坐標A₂(x₂,y₂)，具體步驟為：

5.1.1)獲取光學測頭Ⅰ的CCD相機中成像光斑中心位置坐標A′₁(x′₁,y′₁)；

5.1.2)將步驟5.1.1)中的光斑中心位置坐標A′₁(x′₁,y′₁)轉換為光斑中心距離光軸的距離s_1x、s_1y；

5.1.3)計算測量點A₁斜率對應的角度：

ξ_x1＝arctan(s_1x/f)/2

ξ_y1＝arctan(s_1y/f)/2

其中：ξ_x1代表測量點A₁在XOZ平面內的切線與X軸方向的夾角；

ξ_y1代表測量點A₁在YOZ平面內的切線與Y軸方向的夾角；

s_1x代表第一個測量點的成像光斑的中心在X軸方向距離系統光軸的距離；

s_1y代表第一個測量點的成像光斑的中心在Y軸方向距離系統光軸的距離；

f代表成像透鏡的焦距；

5.1.4)計算測量點A₁(x₁,y₁)的坐標：

x₁＝g(ξ_x1)

y₁＝g(ξ_y1)

其中：g(x)代表一元函數；

5.1.5)按照與步驟5.1.1)～步驟5.1.4)相同的步驟，計算測量點A₂(x₂,y₂)的坐標為：

x₂＝g(ξ_x2)

y₂＝g(ξ_y2)

其中：ξ_x2代表測量點A₂在XOZ平面內的切線與X軸方向的夾角；

ξ_y2代表測量點A₂在YOZ平面內的切線與Y軸方向的夾角；

5.2)旋轉曲面基準件，使第1曲面組位于第1位置處，此時曲面Ⅰ上對應的測量點為A₃，曲面Ⅱ上對應的測量點為A₄，具體步驟與步驟5.1)相同的步驟獲取測量點A₃坐標A₃(x₃,y₃)和測量點A₄坐標A₄(x₄,y₄)：

x₃＝g(φ_x3)

y₃＝g(φ_y3)

x₄＝g(φ_x4)

y₄＝g(φ_y4)

其中：φ_x3代表測量點A₃在XOZ平面內的切線與X軸方向的夾角；

φ_y3代表測量點A₃在YOZ平面內的切線與Y軸方向的夾角；

φ_x4代表測量點A₄在XOZ平面內的切線與X軸方向的夾角；

φ_y4代表測量點A₄在YOZ平面內的切線與Y軸方向的夾角；

5.3)計算第1曲面組第1位置的旋轉角，具體步驟為：

5.3.1)計算位置A₁(x₁,y₁)和位置A₃(x₃,y₃)之間的距離：

5.3.2)計算位置A₂(x₂,y₂)和位置A₄(x₄,y₄)之間的距離：

5.3.3)計算曲面基準件旋轉的角度：

γ＝arctan((d₁+d₂)/d₀)

其中：d₀代表光學測頭Ⅰ光軸和光學測頭Ⅱ光軸的間距；

5.4)記錄激光自準直儀測得的曲面基準件旋轉角

5.5)循環重復步驟5.2)～步驟5.4)直到完成第1曲面組所有位置的測量；

5.6)匯總第1曲面組所有位置處所述旋轉角測量系統測得的旋轉角度γ_ij和激光自準直儀測得的旋轉角度其中i為當前曲面組序號，i＝1、2、3、…、m，m為曲面組數，j為當前位置號，j＝1、2、3、…、n，n是一個曲面組內轉角標定位置數量；

6)旋轉曲面基準件，進入下一個曲面組的測量，循環步驟5)；

7)循環重復步驟6)直到完成曲面基準件的所有曲面組的所有位置的旋轉角測量；

8)所述數據處理模塊計算誤差標定矩陣A(δ_ij)，其中：

其中：δ_ij為第i個曲面組第j個位置處的角度誤差值；

9)拆除所述平面反射鏡，撤離準直光管，使所述旋轉角測量系統恢復測量模式，使旋轉角測量系統檢測被測旋轉軸的旋轉角并進行誤差補償，具體的補償步驟如下：

9.1)所述數據處理模塊獲取所述旋轉角測量系統t時刻測得的旋轉軸的旋轉角度θ_t；

9.2)所述數據處理模塊在誤差矩陣A(δ_ij)的列表中選取與在測曲面組序號i對應的第i行誤差標定數據，然后在第i行誤差標定數據中選取與θ_t相鄰的左右兩組標定轉角θ_j和θ_j+1所對應誤差值δ_ij和δ_i(j+1)，其中θ_j＜θ_t＜θ_j+1，通過線性差值的方法獲取t時刻測量誤差補償值：

δ_t＝(δ_ij+δ_i(j+1))/(θ_ij+θ_i(j+1))

9.3)對所述旋轉角測量系統測量值進行補償得到最終的測量輸出值：

α_t＝θ_t-δ_t。