一种监测重型设备精确旋转的方法及其精度分析

　　1　引　言

　　一些质量和体积较大重型设备因其质量庞大,在实现高精度运动时往往要比小型设备困难得多,尤其是在垂直方向上的运动更容易受自重的影响而使精度难以控制,传动机构的误差也不像许多小型设备那样容易克服。为了确保重型设备运动得精确,简单的做法是通过制作精确运动的载物平台来保证,但此类重型载物平台再加上高精度的要求其造价通常比较昂贵[1]。自主开发了一套可精确监测重型设备旋转运动的测量系统,从而使重型设备的精确转动得到保证,由于传动机构可能引入误差,同时也建立了一套利用激光定位来标定系统旋转精度的有效方法,该方法在某重型设备的大角度、高精度的测量中得到实现和验证。

　　2　测量系统的结构和工作原理

　　涉及的重型设备需要在垂直方向进行高精度的旋转,为了精确保证该重型设备的旋转,论文设计制作了如图1所示的测量系统,它主要有监测系统和重型设备组成,两者共同作用来改变重型设备在垂直方向的转动量,并且保证转动量的高精度要求。

　　如图1所示,上述仪器的测量系统由底座、旋转轴、转动机构、支架、自准直测角仪、反光镜及其它一些辅助构件组成。旋转轴的一端有一转动机构,用于控制该旋转轴的转动,另一端通过旋转轴的轴心固定一反光镜。图中的自准直测角仪是根据测量要求自主研制的非标产品,根据数字式精密光栅光学分度头的标定,它的测量范围为±70′,精度为6″。自准直测角仪被用辅助装置固定在底座上,它的工作原理如图2所示。

　　测角仪光源A位于透镜的焦点位置,它发出的光经反光镜反射后再经透镜聚焦,如果反光镜与透镜的光轴垂直,反射光线将会聚在光源A的位置;如果反光镜转动一定的角度α,光线反射后则如图中虚线所示会聚在A′点,反射光线与光轴的夹角为β,由光路的分析计算可知它与反射镜旋转的角度α的关系为:β=2α,A′点相对于A点的移动量为[2]:

　　实际研制时在AA′所在平面上放置一线阵CCD,光源处用一个狭缝光阑作为物体目标,反光镜随重型系统的旋转轴转动。由上述分析可知反射光线所成的狭缝像在线阵CCD上的感光位置将随转动的角度变化,当旋转角度不大时,反射像在CCD上的位置变化与转动角呈线性变化,经过精确的图像识别就能够读出反光镜也即旋转轴转动的角度。文中图3为CCD图像,图4为光电自准直测角仪装置的实际光路图[3]。

　　为了使平面镜的转动跟随重型设备同步转动,用来固定重型设备的支架与旋转轴做成一体,使重型设备能够与旋转轴进行同步转动。由于反光镜固定在旋转轴上,所以旋转轴也带动反光镜做同步的旋转,而反光镜的转动角度通过自准直测角仪测得。如果反光镜和重型设备精确同步,则测角仪测得的反光镜转角也即重型设备的转动角,从而跟踪到重型设备角度变化量。