CN112798015B - 动态角校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动态角校准装置，包括：通用转接板、多自由度微动调节台、圆光栅轴套工装、精密圆光栅盘、光栅读数头及读数头调整工具、读数头安装调节座和上位机等，本发明针对国防军工型号产品生产测试中作为专用测试设备的多轴转台，本发明设计了一种结构紧凑、安装方便、测量准确度高的转台角运动参数校准的在线校准装置。

Description

动态角校准装置

技术领域

本发明涉及一种动态角校准装置。

背景技术

转台是一种复杂的集光机电一体的现代化设备，是一种用于对惯性器件进行姿态角位置、角速率和动态特性进行校准的一种专用测量装置。作为航空航天领域核心高新技术之一的惯性导航技术，其核心部件惯性器件的功能是通过测量弹(箭)的运动参数来确定其离开地面后的瞬间位置和速度，以供制导***导引它们按预定轨道飞行。因此其性能的好坏直接影响导航精度，直接决定弹(箭)的命中精度及卫星的同步定点运行精度，在国防技术中占有非常重要的地位。

目前，国外一流的转台角速率校准均依靠高精度传感器件的技术优势进行测量，比如美国模拟器件公司研制的ADXRS的新型速率测量芯片，其体积为7mm×7mm×3mm，由于采用了BGA.32封装，因此比其它同类性能的测量仪小一百倍左右，功耗为30mW，重量仅为0.5g，该芯片组成的角速度检测***，能够准确的进行角速度测量。但是这种芯片价格昂贵国内也无法引进。国内现有的转台速率计量更多的是采用非接触式转速表尤其是电子计数式转速表进行测量，这种方法测量过程简单，测量效率较高，但精度较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动态角校准装置，测量准确度高。

为解决上述问题，本发明提供一种动态角校准装置，包括：通用转接板、多自由度微动调节台、圆光栅轴套工装、精密圆光栅盘、圆光栅读数头及读数头调整工具、读数头安装调节座和上位机，其中，

通用转接板安装在被校准的转台的旋转部件的轴系安装面上，多自由度微动调节台安装在通用转接板上，所述多自由度微动调节台包括X向平动微调机构和Y向平动微调机构；

安装有精密圆光栅盘的圆光栅轴套工装安装在所述多自由度微动调节台的平台安装面上；

圆光栅读数头及读数头调整工具安装在读数头安装调节座上，其中，所述读数头安装调节座包括依次连接的磁性底座、万向节和多维微调工装，圆光栅读数头及读数头调整工具安装在所述多维微调工装上，所述磁性底座吸附在转台的非转动部件上，所述读数头调整工具用于采集偏差信息；

上位机与圆光栅读数头连接。

进一步的，在上述装置中，精密圆光栅盘采用分体式不锈钢圆盘式结构的绝对式圆光栅

进一步的，在上述装置中，精密圆光栅盘的内径采用锥面安装方式，并用紧固螺钉固定在圆光栅轴套工装上。

进一步的，在上述装置中，所述通用转接板按90°四等分开设四条通槽，所述通用转接板通过转接板固定螺栓固定在转台被测轴的安装面上，转接板固定螺栓配合各种高度的调整块以适应各类多轴转台情况复杂的安装面。

进一步的，在上述装置中，所述多自由度微动调节台还包括倾斜角调整板，倾斜角调整板包括两块平板结构的调整板和与两块调整板连接的调整螺栓，通过旋转调整螺栓，改变两块调整板的夹角，以改变整个多自由度微动调节台的倾斜角度，确保测量坐标法线与转台旋转轴线平行。

进一步的，在上述装置中，所述X向平动微调机构和Y向平动微调机构与两块调整板连接。

进一步的，在上述装置中，所述X向和Y向的平动微调机构采用导轨结构实现机构的平动。

进一步的，在上述装置中，所述多维微调工装采用高分辨率的微调螺纹副进行水平方向和倾斜角方向的调节。

进一步的，在上述装置中，所述通用转接板为碳纤维材料。

进一步的，在上述装置中，所述多自由度微动调节台和圆光栅轴套工装为铝合金材料。

与现有技术相比，本发明包括：通用转接板、多自由度微动调节台、圆光栅轴套工装、精密圆光栅盘、光栅读数头及读数头调整工具、读数头安装调节座和上位机等，本发明针对国防军工型号产品生产测试中作为专用测试设备的多轴转台，本发明设计了一种结构紧凑、安装方便、测量准确度高的转台角运动参数校准的在线校准装置。

附图说明

图1是本发明一实施例的动态角校准装置的结构框图；

图2是本发明一实施例的动态角校准装置的第一示意图；

图3是本发明一实施例的角动态角校准装置的第二示意图；

图4是本发明一实施例的动态角校准装置的总体框架图；

图5是本发明一实施例的锥面安装的示意图；

图6是本发明一实施例的通用转接板的示意图；

图7是本发明一实施例的多自由度微动调节台的示意图；

图8是本发明一实施例的读数头安装调节座的示意图；

图9是本发明一实施例的多维微调工装的示意图；

图10是本发明一实施例的圆光栅读数头安装示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。

如图1～10所示，动态角校准装置包括：通用转接板1、多自由度微动调节台、圆光栅轴套工装2、精密圆光栅盘3、圆光栅读数头4及读数头调整工具5、读数头安装调节座和上位机6等，其中，

通用转接板1安装在被校准的转台的旋转部件7的轴系安装面上，多自由度微动调节台安装在通用转接板1上，所述多自由度微动调节台包括X向平动微调机构8和Y向平动微调机构9；

安装有精密圆光栅盘3的圆光栅轴套工装2安装在所述多自由度微动调节台的平台安装面上；

圆光栅读数头4及读数头调整工具5安装在读数头安装调节座上，其中，所述读数头安装调节座包括依次连接的磁性底座10、万向节11和多维微调工装12，圆光栅读数头4及读数头调整工具5安装在所述多维微调工装上，所述磁性底座10吸附在转台的非转动部件(如固定框架)15上，所述读数头调整工具5用于采集偏差信息；

上位机与圆光栅读数头连接。

如图1～10所示，本发明提供一种转台在线校准方法，包括：

1)首先将通用转接板安装在被校准的转台的旋转部件的轴系安装面上，然后将多自由度微动调节台安装在通用转接板上，所述多自由度微动调节台包括X向平动微调机构和Y向平动微调机构，接着将安装有精密圆光栅盘的圆光栅轴套工装安装在所述多自由度微动调节台的平台安装面上。

2)用高精度电子水平仪放置在圆光栅轴套工装水平平面上，通过调整所述多自由度微动调节台的X和Y向平动微调机构的水平调整旋钮使圆光栅轴套工装的平面与转台的安装平面平行，然后旋转转台，用千分表打所述圆光栅轴套工装的径向面使所述精密圆光栅盘的轴系和转台的轴系重合。

3)将圆光栅读数头及读数头调整工具安装在读数头安装调节座上，其中，所述读数头安装调节座包括依次连接的磁性底座、万向节和多维微调工装，将圆光栅读数头及读数头调整工具安装在所述多维微调工装上，将所述磁性底座吸附在转台的非转动部件(如固定框架)上，读取所述读数头调整工具显示的偏差信息，通过调整所述多维微调工装的自由度，将所述圆光栅读数头对准圆光栅的测量面，确保圆光栅读数头与圆光栅的间隙和径跳满足校准要求。

4)设定转台按预设的角速率旋转，对圆光栅读数头采集得到的信号进行信号处理，得到处理后的信号，将处理后的信号和采集得到相应的第一角度参数值，通过上位机的标准时基信号由上位机软件计算得到相应的角速率；设定转台按预设的正弦角振动模式运动，同样的得到相应的第二角度参数值，将所述第二角度参数值通过上位机软件滤波和二次微分后计算得到相应的角加速度值。

在此，本发明针对国防军工型号产品生产测试中作为专用测试设备的多轴转台，本发明设计了一种结构紧凑、安装方便、测量准确度高的转台角运动参数校准的在线校准装置。

具体的，国防军工领域各类产品研制和试验中使用的多轴转台，其角运动参数指标的正确与否，直接影响到产品测试数据的准确性。由于目前的多轴转台存在结构尺寸、台面接口、安装空间的复杂多样，给在线开展角运动参数校准带来极大的不便，因此需要设计一套适用于各种多轴转台现场在线校准的通用化角运动校准装置。

如图4所示，校准装置的硬件部分由角度测量单元、工装夹具、上位机等组成。其中角度测量单元由精密圆光栅盘、圆光栅读数头及读数头调整工具组成，工装夹具由通用转接板、多自由度微动调节台、读数头安装调节座等组成。

动态角校准装置的原理是：利用工装夹具将精密圆光栅盘与被校转台转轴同轴安装，将圆光栅读数头与转台的固定部分安装。利用读数头调整工具将圆光栅读数头和精密圆光栅盘配合到满足要求的位置。然后启动被校转台，当转台旋转时，精密圆光栅盘与其同步旋转，经圆光栅读数头输出若干脉冲信号，通过调理，由上位机依据标准时基信号，通过计算获取可以分别获取转台的角度、角速率和角加速度参数值。

其中，角度测量单元由精密圆光栅盘和光栅读数头(含读数头调整工具)组成。精密圆光栅盘通过工装夹具与转台轴系联接。圆光栅读数头安装在读数头安装调节架上，通过调整支架，将圆光栅读数头对准光栅测量面，确保其与圆光栅的间隙和径跳满足校准要求。

如图5所示，精密圆光栅盘3采用分体式不锈钢圆盘式结构的绝对式圆光栅，体积轻薄、质量和转动惯量小、适合集成安装。精密圆光栅盘3的内径采用锥面设计安装方式，并用紧固螺钉14固定在圆光栅轴套工装上。方便快速对接到联接工装上，并提高安装精度。此外锥面的安装方式使调节非常简单，可对偏心进行补偿。具有优异的机械稳定性，能够抵御热循环、冲击和振动。

如图6所示，为解决在线校准时匹配不同安装条件的多轴转台安装面，设计了基于可调式螺栓的通用转接板。

所述通用转接板1按90°四等分开设四条通槽15，所述通用转接板1通过转接板固定螺栓16固定在转台被测轴的安装面上，转接板固定螺栓16配合各种高度的调整块17以适应各类多轴转台情况复杂的安装面(如安装面表面粗糙不平、固定有无法拆装且高于平面的工装接口等)。多自由度微动平台通过通用转接板1的端面的四个螺纹孔18对准并用调固螺栓连接。

在对多轴转台进行角运动参数在线校准时，必须将转台的旋转轴坐标系与校准装置的测量坐标系重合，确保转台转轴中心原点与校准装置的中心在一条直线上。否则会造成基准不同一误差，产生测量角度偏移量，无法对转台进行精确的在线校准。

因此，如图7所示，研制了与校准装置相配合的多自由度微动调节台。主要由X向平动微调机构8、Y向平动微调机构9、倾斜角调整板(含调整螺栓)等组成。

倾斜角调整板包括两块平板结构的调整板19和与两块调整板连接的倾斜角调整螺栓20，通过旋转倾斜角调整螺栓20，改变两块调整板19的夹角，以改变整个多自由度微动调节台的倾斜角度，确保测量坐标法线与转台旋转轴线平行，从而实现对校准装置的调平。X向平动微调机构和Y向平动微调机构与两块调整板连接。

X向和Y向的平动微调机构采用导轨结构实现机构的平动，移动稳定性和平稳性好；采用微分头实现机构的微调，最小分辨率可达1μm。机构底部有安装螺孔，可以直接与倾斜角调整板连接，X向和Y向的平动微调机构上表面配有标准安装定位孔，可以通过圆光栅轴套工装将精密圆光栅与工装夹具连接起来，实现整体的定位和在线校准功能。

如图8所示，读数头安装调节座由磁性底座10、多维微调工装12和万向节支架11组成。

磁性底座作为读数头安装调节座的支架基座，可以吸附在转台的非转动固定框架上。圆光栅读数头通过多维微调工装安装在万向节支架上，通过调整万向节角度，完成读数头和圆光栅的配合粗调；通过调节多维微调工装，根据显示的偏差值实时进行微调，大大减少配合时间。万向节和磁性底座的设计方案可以适用于多轴转台内外圈不同工况、不同倾斜角度安装平面的校准。

多维微调工装采用高分辨率的微调螺纹副进行水平方向和倾斜角方向的调节，如图9和图10中所示。多维微调工装上的读数头安装孔用于配合和安装圆光栅读数头。

倾斜角螺纹副21用于调节多维微调工装的读数头安装孔25的俯仰角和滚转角，X向平动调节副22和Z向的平动调节副23分别用于对圆光栅读数头横向和垂直方向进行微调。Y向的平动调节副24用于调节读数头和精密圆光栅盘的间隙，配合读数头调整工具测量软件的显示值进行微调，确保校准装置的测量精度满足要求。

数据采集分析的上位机是校准装置的核心部分。圆光栅读数头拾取到测量电信号，上位机对此信号进行放大、整形、采集和计算，得到光栅编码器的当前位置，根据采集到的光栅编码器位置信息计算出所需要的角度测量值。上位机内含的标准时基信号可以准确获取角度采集过程中的时间频率参数，确保进行角度微分获取角速率和角加速度值的过程中的测量精度。

为进一步提高光栅的测角精度，采用差分放大器对光栅采集信号进行处理，通过加减运算从而获得新的矢量，用以保证与两路读数头得到的信号相位差恒定，从而将光栅莫尔条纹细分倍频，提高校准装置的分辨力，从而从数据处理方法上降低了光栅测量的细分误差。

本发明内容的有益效果：

1.转台角运动校准装置可以实现对武器型号用多轴转台各个轴的角运动参数(角度、角速率、角加速度参数)的在线校准。

2.通用转接板采用碳纤维材料制成，多自由度微动调节台和圆光栅轴套工装采用铝合金材料制成，具有整体重量轻、强度高等特点。通用转接板按角度等分原则开具若干条镂空槽，可以适配不同转台的安装孔。多自由度微动调节台具备水平两维方向平动微调和垂直方向倾斜角微调，方便实现轴系的重合。圆光栅轴套工装的水平面和径向面经过加工打磨，可作为水平和径向调节的基准面。通用转接板采用调整垫块和专用固定螺栓，适用于表面凹凸不平或有无法拆卸工装的转台安装面。

3.圆光栅读数头后端串接了读数头调整工具，可以在进行校准装置的圆光栅盘和读数头配合过程中实时显示偏差值。读数头安装调节座采用磁性底座、多维微调工装和万向节支架的方式，磁性底座作为安装基座，吸于转台非转动固定框架上，读数头通过多维微调工装安装在万向节支架上，通过调整万向节角度，完成读数头和圆光栅的配合粗调；通过调节多维微调工装，根据显示的偏差值实时进行微调，大大减少配合时间。万向节和磁性底座的设计方案可以适用于多轴转台内外圈不同工况、不同倾斜角度安装平面的校准。

4.采用双圆光栅读数头按180°分布进行角度信号的采集，利用信号差分技术大大提高角度测量的精度。进行转台校准时，上位机根据角度测量值和标准时基信号由上位机软件可以分别获取转台的角度、角速率和角加速度参数，只需一次安装，无需更换其他校准设备，就可以完成某一根转轴的校准工作。

5.采用分体式圆光栅编码器，体积相比一体式光栅编码器体积更小，易于现场布置，适用于多轴转台内外圈各种工况的角运动参数在线校准。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种动态角校准装置，其特征在于，包括：通用转接板、多自由度微动调节台、圆光栅轴套工装、精密圆光栅盘、圆光栅读数头及读数头调整工具、读数头安装调节座和上位机，其中，

通用转接板安装在被校准的转台的旋转部件的轴系安装面上，多自由度微动调节台安装在通用转接板上，所述多自由度微动调节台包括X向平动微调机构和Y向平动微调机构；所述多自由度微动调节台还包括倾斜角调整板，倾斜角调整板包括两块平板结构的调整板和与两块调整板连接的调整螺栓，通过旋转调整螺栓，改变两块调整板的夹角，以改变整个多自由度微动调节台的倾斜角度，确保测量坐标法线与转台旋转轴线平行；所述X向平动微调机构和Y向平动微调机构与两块调整板连接；所述X向和Y向的平动微调机构采用导轨结构实现机构的平动；

安装有精密圆光栅盘的圆光栅轴套工装安装在所述多自由度微动调节台的平台安装面上；

圆光栅读数头及读数头调整工具安装在读数头安装调节座上，其中，所述读数头安装调节座包括依次连接的磁性底座、万向节和多维微调工装，圆光栅读数头及读数头调整工具安装在所述多维微调工装上，所述磁性底座吸附在转台的非转动部件上，所述读数头调整工具用于采集偏差信息；

上位机与圆光栅读数头连接。

2.如权利要求1所述的动态角校准装置，其特征在于，精密圆光栅盘采用分体式不锈钢圆盘式结构的绝对式圆光栅。

3.如权利要求1所述的动态角校准装置，其特征在于，精密圆光栅盘的内径采用锥面安装方式，并用紧固螺钉固定在圆光栅轴套工装上。

4.如权利要求1所述的动态角校准装置，其特征在于，所述通用转接板按90°四等分开设四条通槽，所述通用转接板通过转接板固定螺栓固定在转台被测轴的安装面上，转接板固定螺栓配合各种高度的调整块以适应各类多轴转台情况复杂的安装面。

5.如权利要求1所述的动态角校准装置，其特征在于，所述多维微调工装采用高分辨率的微调螺纹副进行水平方向和倾斜角方向的调节。

6.如权利要求1所述的动态角校准装置，其特征在于，所述通用转接板为碳纤维材料。

7.如权利要求1所述的动态角校准装置，其特征在于，所述多自由度微动调节台和圆光栅轴套工装为铝合金材料。

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