[发明专利]用于角度编码器自校准的读数头优化布置方法

说明书

本发明涉及一种用于角度编码器自校准的读数头优化布置方法，其包括以下步骤：采用傅立叶分析法确定测角误差分析中的传递函数并分析其特性；综合考虑谐波抑制、随机噪声及校准精度等因素确立优化目标；确定读数头个数、校准谐波总数等初始参数及读数头安装最小角度间隔等约束条件，进而求解优化问题等。本发明提出的用于角度编码器自校准的读数头优化布置方法能够实现对角度编码器的高精度、快速、实时、在位校准，且成本更低，其中两读数头最优布置方案特别适用于常规的高精度测试系统，而三读数头优化系统更可被用于超高精度的校准场合。

技术领域

本发明涉及一种精密测量领域中角度测量装置的校准方法，特别是涉及一种用于角度编码器自校准的读数头优化布置方法。

背景技术

角度编码器是精密测量领域中的关键部件，主要应用在角度值的高精度测量装置中，例如机床回转工作台、精密转台以及角度计量国家基准等。典型的角度编码器主要包括圆光栅码盘和读数头。在实际工作过程中，角度编码器的测量精度受多种因素影响，包括：光栅栅距的准确性、信号细分质量、光栅安装变形、读数头的安装与调整误差、光栅相对于轴承的安装偏心、轴承跳动甚而温度变化等。因此就需要通过对编码器进行校准来确定进而补偿由这些因素所导致的测量误差，提升测量精度。

一种传统的校准方法是将一个更高精度的测角装置(参考编码器或多面棱体等)与被检角度编码器同轴安装，通过连续测量二者的差值来确定被检角度编码器的误差。但是这种方法实时性差、操作繁琐耗时，同时由于忽略了参考测角装置的相关误差，因此其校准精度有限。另一种传统的校准方法称为排列互比法，主要原理是通过将被检角度编码器与陪检测角装置(如多面棱体、多齿分度台等)同轴安装，进行多次转位的比较测量，根据圆周封闭原理进行误差分离，最终可分离出消除了陪检装置误差影响的被检角度编码器的角度误差。排列互比法具有很高的校准精度，但存在操作耗时、校准点数有限等问题。

为了避免使用其他的测角装置，同时实现角度编码器在其安装轴上的实时快速校准，近年来自校准技术也被广泛采用。经过现有技术文献的检索发现，专利号为US7840372B2的美国专利用TDR法校准角度编码器，但是这种方法只能用来校准气浮或磁浮轴承等可忽略摩擦阻力类主轴，且其算法复杂不易操作；专利号为US7143518B2的美国专利采用M个读数头在圆光栅周围等角度间隔均匀分布的方式，可以校准得到角度误差中除M及M的倍数次外的剩余所有谐波成分，但是为了获得较高的校准精度，所需的读数头一般都为五个以上，此种方法既存在读数头安装调整难度大的问题，又增加了相应的成本。也有其他文献给出了若干用于角度编码器自校准的读数头布置方案，但是都存在使用读数头个数较多、布置方式没有经过优化设计等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于角度编码器自校准的读数头优化布置方法，其能够实现对角度编码器的高精度、快速、实时、在位校准，且成本更低，其中两读数头最优布置方案特别适用于常规的高精度测试系统，而三读数头优化系统更可被用于超高精度的校准场合。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种用于角度编码器自校准的读数头优化布置方法，其特征在于，所述用于角度编码器自校准的读数头优化布置方法包括以下步骤：

步骤一：确定测角误差分析中的传递函数并分析其特性：

第k个读数头H_k相对于第一个读数头H₁的安装间隔角度为α_k(α₁＝0)，则在圆光栅码盘旋转的过程中，读数头H_k的读数H_k(θ)既包含了真实的旋转角度θ，又包含了该测点处的测角误差ε(θ+α_k)，如下公式所示：

H_k(θ)＝θ+ε(θ+α_k)