[发明专利]一种旋转角测量系统的误差标定方法

权利要求书

1.一种旋转角测量系统的误差标定方法，其特征在于，所述旋转角测量系统包括安装在Z轴上的差分光学测头和曲面基准件，在所述曲面基准件上设有多组成对布置的曲面组，每组曲面设有一个曲面Ⅰ和曲面Ⅱ，每个曲面组内的曲面Ⅰ和曲面Ⅱ设置在同一直径上，相邻两个曲面组的中心线夹角是β，所述差分光学测头设有一个数据处理模块和两个结构相同的光学测头，两个所述光学测头分别是光学测头Ⅰ和光学测头Ⅱ，所述光学测头的光轴与Z轴平行，所述差分光学测头位于所述曲面基准件的上方，两个所述光学测头光轴间的距离与曲面Ⅰ和曲面Ⅱ中心间的距离相等；所述光学测头包括激光器、孔径光阑、反射镜、分光棱镜、成像透镜和CCD相机，所述激光器发出的准直光束经所述孔径光阑缩成细直光束，细直光束经所述反射镜后入射到所述分光棱镜中，1/2能量的反射光束投射到曲面内的任意一点，该点反射的光束经所述分光棱镜透射后，通过所述成像透镜成像在所述CCD相机上；所述数据处理模块根据两个所述光学测头的CCD相机中光斑的位置，计算获得旋转轴的旋转角参数；

该标定方法采用激光自准直仪，所述激光自准直仪包括准直光管和平面反射镜；所述平面反射镜垂直安装在所述曲面基准件的轴心处，具体步骤如下：

1)通过标定得出光学测头Ⅰ的光轴在光学测头Ⅰ的CCD相机中的位置坐标O′₁(x′_O1,y′_O1)，通过标定得出光学测头Ⅱ的光轴在光学测头Ⅱ的CCD相机中的位置坐标O′₂(x′_O2,y′_O2)；

2)选择所述曲面基准件中的第1曲面组作为起始标定曲面组，使所述旋转角测量系统处于标定模式；

3)调整所述曲面基准件，使所述曲面Ⅰ位于光学测头Ⅰ的测量范围内，所述曲面Ⅱ位于所述光学测头Ⅱ的测量范围内，且所述曲面Ⅰ的中心线与所述光学测头Ⅰ的光轴平行，所述曲面Ⅱ的中心线与所述光学测头Ⅱ的光轴平行；

4)调整准直光管，使准直光管的光轴处于平面反射镜中心且与平面反射镜垂直；此时曲面基准件位于第1曲面组的初始位置处，曲面Ⅰ上对应的测量点为A₁，曲面Ⅱ上对应的测量点为A₂；记录此时激光自准直仪的读数和旋转角测量系统读数作为标定零点；

5)采用所述激光自准直仪和所述旋转角测量系统同步针对第1曲面组获取多个位置处的旋转角，具体步骤为：

5.1)获取第1曲面组初始位置处测量点A₁坐标A₁(x₁,y₁)和测量点A₂坐标A₂(x₂,y₂)，具体步骤为：

5.1.1)获取光学测头Ⅰ的CCD相机中成像光斑中心位置坐标A′₁(x′₁,y′₁)；

5.1.2)将步骤5.1.1)中的光斑中心位置坐标A′₁(x′₁,y′₁)转换为光斑中心距离光轴的距离s_1x、s_1y；

5.1.3)计算测量点A₁斜率对应的角度：

ξ_x1＝arctan(s_1x/f)/2

ξ_y1＝arctan(s_1y/f)/2

其中：ξ_x1代表测量点A₁在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；

ξ_y1代表测量点A₁在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；

s_1x代表第一个测量点的成像光斑的中心在X轴方向距离系统光轴的距离；

s_1y代表第一个测量点的成像光斑的中心在Y轴方向距离系统光轴的距离；

f代表成像透镜的焦距；

5.1.4)计算测量点A₁(x₁,y₁)的坐标：

x₁＝g(ξ_x1)

y₁＝g(ξ_y1)

其中：g(x)代表一元函数；

5.1.5)按照与步骤5.1.1)～步骤5.1.4)相同的步骤，计算测量点A₂(x₂,y₂)的坐标为：

x₂＝g(ξ_x2)

y₂＝g(ξ_y2)

其中：ξ_x2代表测量点A₂在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；

ξ_y2代表测量点A₂在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；

5.2)旋转曲面基准件，使第1曲面组位于第1位置处，此时曲面Ⅰ上对应的测量点为A₃，曲面Ⅱ上对应的测量点为A₄，具体步骤与步骤5.1)相同的步骤获取测量点A₃坐标A₃(x₃,y₃)和测量点A₄坐标A₄(x₄,y₄)：

x₃＝g(φ_x3)

y₃＝g(φ_y3)

x₄＝g(φ_x4)

y₄＝g(φ_y4)

其中：φ_x3代表测量点A₃在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；

φ_y3代表测量点A₃在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；

φ_x4代表测量点A₄在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；

φ_y4代表测量点A₄在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；

5.3)计算第1曲面组第1位置的旋转角，具体步骤为：

5.3.1)计算位置A₁(x₁,y₁)和位置A₃(x₃,y₃)之间的距离：

5.3.2)计算位置A₂(x₂,y₂)和位置A₄(x₄,y₄)之间的距离：

5.3.3)计算曲面基准件旋转的角度：

γ＝arctan((d₁+d₂)/d₀)

其中：d₀代表光学测头Ⅰ光轴和光学测头Ⅱ光轴的间距；

5.4)记录激光自准直仪测得的曲面基准件旋转角

5.5)循环重复步骤5.2)～步骤5.4)直到完成第1曲面组所有位置的测量；

5.6)汇总第1曲面组所有位置处所述旋转角测量系统测得的旋转角度γ_ij和激光自准直仪测得的旋转角度其中i为当前曲面组序号，i＝1、2、3、…、m，m为曲面组数，j为当前位置号，j＝1、2、3、…、n，n是一个曲面组内转角标定位置数量；

6)旋转曲面基准件，进入下一个曲面组的测量，循环步骤5)；

7)循环重复步骤6)直到完成曲面基准件的所有曲面组的所有位置的旋转角测量；

8)所述数据处理模块计算误差标定矩阵A(δ_ij)，其中：

其中：δ_ij为第i个曲面组第j个位置处的角度误差值；

9)拆除所述平面反射镜，撤离准直光管，使所述旋转角测量系统恢复测量模式，使旋转角测量系统检测被测旋转轴的旋转角并进行误差补偿，具体的补偿步骤如下：

9.1)所述数据处理模块获取所述旋转角测量系统t时刻测得的旋转轴的旋转角度θ_t；

9.2)所述数据处理模块在误差矩阵A(δ_ij)的列表中选取与在测曲面组序号i对应的第i行误差标定数据，然后在第i行误差标定数据中选取与θ_t相邻的左右两组标定转角θ_j和θ_j+1所对应误差值δ_ij和δ_i(j+1)，其中θ_j＜θ_t＜θ_j+1，通过线性差值的方法获取t时刻测量误差补偿值：

δ_t＝(δ_ij+δ_i(j+1))/(θ_ij+θ_i(j+1))

9.3)对所述旋转角测量系统测量值进行补偿得到最终的测量输出值：

α_t＝θ_t-δ_t。