基于光學自準直法的轉臺旋轉軸偏角誤差檢測

基于光學自準直法的轉臺旋轉軸偏角誤差檢測

近年來，隨著國防科技產量的進步，軍艦燈被廣泛應用于軍事船只、紅外報警和電動工具的設備。國內外對轉臺回轉精度的分析主要集中在檢測方法上,對于高精度轉臺的精度檢測方法和數(shù)據(jù)處理算法的研究較缺乏。因此,本文主要研究轉臺旋轉軸的檢測方法和數(shù)據(jù)處理算法。本文采用了一種用非接觸軸系表面的方法來檢測旋轉軸的偏角誤差,并運用最小二乘法擬合和傅里葉諧波分析的方法對數(shù)據(jù)進行處理與對比分析,最終得到轉臺旋轉軸的偏角誤差。1轉臺角度檢測轉臺旋轉軸偏角誤差測量系統(tǒng)由計算機控制系統(tǒng)、被測轉臺、光學平臺、可調反射鏡、光電準直儀和數(shù)據(jù)處理部分組成,測量裝置結構示意圖如圖1所示。計算機控制系統(tǒng)主要負責控制轉臺的轉動,通過具體的脈沖數(shù)來控制轉臺的旋轉角度;光學平臺為轉臺提供一個穩(wěn)定基座,可減小檢測裝置自身的抖動影響;被測轉臺作為被測件,放置在光學平臺上,轉臺上端面留有反射鏡的裝夾裝置,因轉臺的工作方式選擇將轉臺端面和光學平臺水平放置;選用二維可調整的反射鏡,并將其固定在轉臺的中心附近,作為一個轉臺旋轉軸偏角的過渡量,主要承擔折轉光路的作用;光電準直儀放置在反射鏡正上方,光電準直儀可將焦面的目標以平行光的形式投射出去,經過反射鏡后,目標信息又發(fā)射回來;光電準直儀配合計算機對反射回來的目標坐標信息記錄,數(shù)據(jù)處理部分對保存的坐標信息進行提取和處理,最終獲得轉臺旋轉軸的偏角誤差。2檢測的過程和檢測方法基于自準直測量原理進行轉臺旋轉軸的偏角誤差檢測。以目標光束投射到被測物體上,通過入射和反射光束之間的位移變化量來測量物體轉動的微小角度。檢測過程中的自準直測角原理圖如圖2所示。一個位于準直透鏡后部焦平面上的目標分劃板被光源照亮,其像被投射到無限遠,并由反射鏡所反射,反射后的圖像由光電接收器接收。光電準直儀物鏡發(fā)出的光束垂直入射到反射鏡上,當反射鏡與光軸絕對垂直時,自準直儀光軸與反射鏡角度的微小偏差會引起接收器上成像位置移動,從而非常精確地檢測出該微小偏差角度檢測時,按照檢測原理圖搭好檢測裝置,打開光電準直儀光源開關和準直儀計算機檢測軟件,調整光電準直儀的水平和方位角,使得界面顯示出反射十字像,再通過計算機控制轉臺的旋轉,轉臺每次旋轉12°,整圈360°為一個周期,20次整圈測量,觀察反射十字像的分布情況。若在旋轉過程中出現(xiàn)反射十字像不在光電探測器視場,界面上反射十字像中心不在觀測區(qū)域內,則必須調整準直儀使其反射十字像旋轉過程中均在觀測區(qū)域里,重新進行測量。最后,記錄旋轉過程中的反射十字像坐標分布情況,并保存測量數(shù)據(jù)。3旋轉角度測量數(shù)據(jù)光電準直儀測試軟件界面上顯示的X和Y的坐標,反映出十字像的位置信息,即轉臺旋轉軸的偏向角度,計算機控制轉臺的旋轉角度,每間隔一定的旋轉角度,十字像的位置就會發(fā)生變化,記錄并保存下旋轉12°后反射十字像的坐標信息,20組整圈測量數(shù)據(jù)保存在軟件制定的文件夾里。對計算機保存的一組坐標信息進行點追蹤繪圖如圖3所示,(X從圖3可以看出,數(shù)據(jù)點的分布圍繞中心成圓分布,并且點坐標的信息根據(jù)整圈每12°角度劃分,整圈測量20組。從20組的數(shù)據(jù)可以直觀地得出,整圈每12°位置處的數(shù)據(jù)可認為是轉臺轉到旋轉12°的軸系晃動后反應到像面上的坐標信息。3.1擬合成圓的擬合對計算機保存的20組坐標信息數(shù)據(jù)進行處理,如圖4所示。每組坐標點的位置均會排布在角度劃分線上周圍,即整組測量時,每組測量的各個角度處的坐標會比較集中,那么對每組各個角度的坐標信息處理,求其平均水平,對平均坐標進行擬合成圓,再研究所有組坐標位置信息相對于擬合圓的分布情況。根據(jù)均值公式可求出每個角度下的平均坐標位置信息(X式中:對表1中的均值坐標數(shù)據(jù)進行最小二乘法擬合,設定最終的曲線為圓形方程,得到擬合圓半徑R的大小為4.61,代表反射鏡光軸與旋轉軸的固定角度偏差,反射鏡光軸與轉軸的固定角偏差α為4.61″;圓心坐標為(586.12,602.45),對應光軸的回轉中心的位置坐標為(X則用每個點相對于擬合圓心點坐標差值β計算得出旋轉軸的均值晃動誤差β3.2傅里葉系數(shù)的測量方程旋轉臺轉軸的偏角誤差包括軸系的晃動誤差和固定角偏差,而轉軸的偏角誤差與軸的轉角位置有關,通過實驗測得X和Y方向的兩個坐標值,選用一組坐標位置來進行處理,i將定為常數(shù),不再提出,分別將測量值X式中:φ為轉角位置;X在傅里葉系數(shù)中,常數(shù)項aa根據(jù)式(8)和兩個分量的數(shù)值求得α為4.601″。旋轉臺轉軸的偏角誤差函數(shù)表達式為由傅里葉諧波法可知,根據(jù)表2可得轉臺旋轉軸晃動誤差的均值4諧波分析方法1)運用最小二乘法擬合計算得出反射鏡光軸與轉軸的固定角偏差α為4.61″,旋轉軸的均值晃動誤差2)最小二乘法擬合適合對多組數(shù)據(jù)進行處理分析,可將α和β提取出來,依賴于多次測量的數(shù)據(jù)分析給出結果;而傅里葉諧波分析法依賴于單組數(shù)據(jù),且根據(jù)傅