[发明专利]一种抑制轴系倾角回转误差的转轴转角的测量方法

说明书

技术领域

本发明属于光机检测领域，是一种高精度的转轴转角测量方法。涉及自准直仪、光楔以及反射镜的组合，具体地说是一种抑制轴系倾角回转误差的转轴转动角度的测量方法。

背景技术

根据自准直仪的角度测量原理，很容易想到利用图1所示的光路系统来测量转轴转角。其中1为自准直仪，2为转轴，3为反射镜，4为计算机；反射镜3安装在转轴2的端面上，且与转轴2的端面成角度θ；自准直仪1发出的平行光束经反射镜3的反射后，相对自准直仪1的出射光束偏折角度β＝2θ、而进入自准直仪1形成光点像；自准直仪1与计算机4相连，自准直仪1中得到的光点像的位置数据由计算机4读出、经过处理即可得到光点像的位置坐标，并显示在计算机4的显示屏上；当转轴2和反射镜3一体转动时，反射光束绕着转轴2的轴线转动，自准直仪1中的光点像在计算机4的显示屏上沿着圆形轨迹运动，如图2所示，轨迹圆半径取决于反射光束与出射光束的偏折角β＝2θ、以及自准直仪1与反射镜3的相对距离；以轨迹圆上左下方的任一光点像位置为原点建立直角坐标系，通过记录转轴2转动过程中获得的一系列圆周点坐标即可拟合出轨迹圆圆心坐标C，再利用圆周上采样起始点A和终点B的坐标值即可算出A与B间圆弧所对应的圆心张角该角度即为转轴2的转角。

这种测量方法简单、方便，同时可实现大范围转角测量，可广泛用于机构的转动误差测量。然而，由于转轴的加工误差、轴承的安装误差，轴承本身的游隙以及转轴在使用过程中受到的传动力作用等因素的影响，导致转轴转动过程中发生摆动，专业上称为轴系倾角回转误差，其连带反射镜3上的反射光束发生摆动，导致自准直仪1中的光点像脱离理想的圆形轨迹，且偏离量为轴系倾角回转误差的2倍，使终点位置由B点变化到B1点，如图2中所示，产生转角测量误差不同转动机构中的轴系倾角回转误差不同，一般为几角秒到几十角秒。可见，轴系倾角回转误差严重影响了转轴2转角的测量准确性。

本发明内容即为一种抑制轴系倾角回转误差的转轴转动角度的测量方法。

为了清楚说明本发明的内容，下面详述自准直仪1的工作原理。自准直仪1的内部光学结构示于图3中的虚线框内，其中11为平行光光源，12为分束器，13为透镜，14为CCD；平行光光源11发出的细光束被分束器12折角90°从出光口的中心出射，经反射镜3反射与出射光束成角度β，并依次透过分束器12、透镜13汇聚在CCD14的面板上，形成光点像；CCD14与计算机4直接连接，光点像在CCD14面板上的位置数据由计算机4读出、经过计算机4中的程序处理即可得到光点像的位置坐标，并显示在计算机4的显示屏上。

发明内容

本发明针对轴系倾角回转误差对转轴转角测量的影响，提出一种基于光楔折射的转轴转角测量方法，目的是抑制轴系倾角回转误差对测量的影响，提高转轴转角的测量精度。

本发明的测量光路系统示意图如图4所示，其中1为自准直仪，2为转轴，3为反射镜，4为计算机，5为光楔；光楔5固定在转轴2的端面上，反射镜3置于转轴2之后垂直固定、且使反射镜3的法线与转轴2的轴线平行；带有光楔5的转轴2置于自准直仪1和反射镜3之间。自准直仪1发出的光束依次经过光楔5的折射和反射镜3的反射，反射光束再经光楔5的折射、与自准直仪1的出射光束形成偏折角β返回自准直仪1中，并汇聚成光点像；由于光楔5的折射作用，当转轴2和光楔5一体转动时，反射光束绕着转轴2的轴线转动，自准直仪1中的光点像沿着圆形轨迹运动；计算机4记录转轴2转动一周后获得的一系列均匀分布在圆周上的光点像质心坐标、拟合出轨迹圆圆心坐标，再根据具体测量要求指定圆周上起始点A和终点B，利用A与B的坐标值计算出A与B间圆弧所对应的圆心张角该角度即为所需测量的转轴2由A到B的转角。

与自准直仪1相连的计算机4中存储有三个程序：程序I用于计算光点像质心坐标、并将光点像位置及其质心坐标显示于显示屏上；程序II用于驱动转轴2以两种模式转动，一是连续转动，二是以一定步长间歇转动，另外存储转轴2间歇转动一周后获得的一系列光点像质心坐标；程序III依据导入的转轴2间歇转动一周后获得的一系列坐标值拟合出轨迹圆及其圆心坐标、基于轨迹圆周上任意两点的坐标值算出两点间圆弧所对应的圆心张角。