時柵數控轉臺的誤差測量與分析

周進　劉彤

摘要：時柵角位移傳感器是一種新型原理的角位移測量器件，采用自準直儀與正多面棱體對安裝有時柵傳感器的數控轉臺進行了角度誤差的測量，實驗結果表明，該時柵數控轉臺具有分度誤差小、定位精度高、重復性好等優點。

關鍵詞：時柵角位移傳感器;數控轉臺;分度誤差;測角重復性

中圖分類號：TP212

文獻標識碼：A

DOI：10.15913/j .cnki.kj ycx.2019.10.051

1 引言

時柵角位移傳感器與傳統的角位移傳感器在原理上不同，其工作方式是通過在傳感器內部建立“勻速”運動的參考系將空間位移差轉換為運動參考系上的時間差進行間接測量[1]。實驗中采用的電場式時柵傳感器則是通過正交變化的電場構建一種高勻速的等效空間域運動來建立空間位移和時間基準之間的關系。其測量原理決定了它依賴的是時鐘頻率的精確度，而不依賴精密刻線，不需要精密或超精密加工，因此產品的工藝性特別好，一般的機械加工廠就能生產[2]。時柵數控轉臺是將時柵傳感器安裝在精密軸系旋轉工作臺上，并采用時柵傳感器作為轉臺的反饋元件，通過驅動步進電機帶動蝸輪蝸桿使轉臺進行轉位，通過單向逼近到達預設轉角位置。時柵角位移傳感器可將測量數據實時反饋，用以控制脈沖個數令步進電機帶動轉臺逼近預設值，同時實現當前角度值的輸出顯示。該轉臺定位精度高、運行穩定、操作簡便，可以應用在角度編碼器以及經緯儀等角度測量儀器的計量檢定工作中。

2 實驗方案

由于時柵傳感器在安裝到轉臺上時會受安裝偏心、使用環境的變化等因素影響，轉臺的定位精度相比于時柵傳感器精度有較大的損失，因此需要對時柵轉臺誤差進行修正。實驗中將時柵轉臺放置于花崗石平板上，同時將23面正多面棱體放置于轉臺中心，并通過德國馬爾的高精度電感測微儀測量對中誤差，不斷將正多面棱體的回轉中心與轉臺的回轉中心偏差調小，直至調至對中偏差在土0.005 mm以內，實驗裝置如圖1所示。

實驗采用英國泰勒公司的自準直儀進行角度測量，調整自準直儀視軸與正多面棱體的工作面垂直并與其中心重合，同時在轉臺轉至零位時，調整自準直儀位置使其能夠在視場中觀察到其反射回的十字絲像，進行微調將X軸的值調至零位附近。通過電控箱控制轉臺轉動，分別照準正多面棱體的

3 結果與分析

實驗所采用的正多面棱體為23面的二等正多面棱體，其修正值由國家計量院檢定證書給出。通過實驗測得一組23點誤差值的時柵轉臺原始誤差，這是由于時柵角位移傳感器在安裝時的偏心造成的。原始誤差曲線與修正后的誤差曲線比較如圖2所示。 從圖2可以看出，原始誤差的誤差范圍為- 0.6”- +4.6”，誤差值較大，但通過重復測量原始誤差值，其重復性很好，最大差值為0.2”，這對系統誤差的修正非常重要。通過對測得的23點離散的原始誤差值，建立誤差模型，重構出時柵傳感器的誤差擬合曲線，對時柵轉臺的誤差進行修正[3]。實驗中，進行了兩次誤差修正，第一次修正后其誤差值大幅減小，第二次修正將誤差進一步減小，第二次修正后該時柵轉臺的最大誤差值僅為0.4”。

同時，參照《多齒分度臺》（ JJG 4722007）中規程的相應內容[4]，對該時柵轉臺進行測角重復性實驗。檢定時，以轉臺的0°作為起點，自準直儀對準棱體的0°工作面，取三次對準讀數的算術平均值為a，再依次以15°39′7.8″為間隔轉動23個位置，得到ai，a2，…，a23，最后回到棱體0。位置。然后以相同方向進行第二周的測量，得到a1，a2，…，a23'。計算各點差值公式為：

時柵轉臺測角重復性計算數據如表1所示，按公式（2）計算得到該轉臺測角重復性為0.1”。 對于時柵轉臺的定位誤差測量，輸入指令使轉臺每次沿同一方向轉動15°39′7.8″，通過正多面棱體與自準直儀測量轉臺每次實際轉動角度，將實際轉動值與理論值進行比較，其差值作為轉臺的定位誤差。測得該誤差曲線如圖3所示，測得其定位誤差為±1”。

4 結論

實驗采用高精度自準直儀以及二等正多面棱體對時柵數控轉臺的誤差進行測量，通過兩次測得系統誤差的修正后.測得該時柵轉臺的分度誤差為0.4”，其重復性為0.1”，定位誤差為±1”，該轉臺可用于高等級的光電軸角編碼器測量，也可應用于經緯儀及全站儀等的角度檢測。

參考文獻：

[1]彭東林，劉小康，張興紅，等.時柵位移傳感器原理與發展歷程[J].重慶理工大學學報（自然科學版），2010（ 10）：40-45.

[2]彭東林，肖偉，鄭方燕，等.基于時柵傳感器的編碼器信號分析[J].重慶理工大學學報（自然科學版），2011（1）：82-84.

[3]高忠華，陳錫侯，鄭方燕，時柵角位移傳感器誤差修正及其測試系統[J].儀表技術與傳感器，2012（9）： 75-77.

[4]何超瓊，顧耀宗，鄒九貴，等.JJG 472-2007多齒分度臺[S].北京：中國計量出版社，2007.