时栅数控转台的误差测量与分析

周进　刘彤

摘要：时栅角位移传感器是一种新型原理的角位移测量器件，采用自准直仪与正多面棱体对安装有时栅传感器的数控转台进行了角度误差的测量，实验结果表明，该时栅数控转台具有分度误差小、定位精度高、重复性好等优点。

关键词：时栅角位移传感器;数控转台;分度误差;测角重复性

中图分类号：TP212

文献标识码：A

DOI：10.15913/j .cnki.kj ycx.2019.10.051

1 引言

时栅角位移传感器与传统的角位移传感器在原理上不同，其工作方式是通过在传感器内部建立“匀速”运动的参考系将空间位移差转换为运动参考系上的时间差进行间接测量[1]。实验中采用的电场式时栅传感器则是通过正交变化的电场构建一种高匀速的等效空间域运动来建立空间位移和时间基准之间的关系。其测量原理决定了它依赖的是时钟频率的精确度，而不依赖精密刻线，不需要精密或超精密加工，因此产品的工艺性特别好，一般的机械加工厂就能生产[2]。时栅数控转台是将时栅传感器安装在精密轴系旋转工作台上，并采用时栅传感器作为转台的反馈元件，通过驱动步进电机带动蜗轮蜗杆使转台进行转位，通过单向逼近到达预设转角位置。时栅角位移传感器可将测量数据实时反馈，用以控制脉冲个数令步进电机带动转台逼近预设值，同时实现当前角度值的输出显示。该转台定位精度高、运行稳定、操作简便，可以应用在角度编码器以及经纬仪等角度测量仪器的计量检定工作中。

2 实验方案

由于时栅传感器在安装到转台上时会受安装偏心、使用环境的变化等因素影响，转台的定位精度相比于时栅传感器精度有較大的损失，因此需要对时栅转台误差进行修正。实验中将时栅转台放置于花岗石平板上，同时将23面正多面棱体放置于转台中心，并通过德国马尔的高精度电感测微仪测量对中误差，不断将正多面棱体的回转中心与转台的回转中心偏差调小，直至调至对中偏差在土0.005 mm以内，实验装置如图1所示。

实验采用英国泰勒公司的自准直仪进行角度测量，调整自准直仪视轴与正多面棱体的工作面垂直并与其中心重合，同时在转台转至零位时，调整自准直仪位置使其能够在视场中观察到其反射回的十字丝像，进行微调将X轴的值调至零位附近。通过电控箱控制转台转动，分别照准正多面棱体的

3 结果与分析

实验所采用的正多面棱体为23面的二等正多面棱体，其修正值由国家计量院检定证书给出。通过实验测得一组23点误差值的时栅转台原始误差，这是由于时栅角位移传感器在安装时的偏心造成的。原始误差曲线与修正后的误差曲线比较如图2所示。 从图2可以看出，原始误差的误差范围为- 0.6”- +4.6”，误差值较大，但通过重复测量原始误差值，其重复性很好，最大差值为0.2”，这对系统误差的修正非常重要。通过对测得的23点离散的原始误差值，建立误差模型，重构出时栅传感器的误差拟合曲线，对时栅转台的误差进行修正[3]。实验中，进行了两次误差修正，第一次修正后其误差值大幅减小，第二次修正将误差进一步减小，第二次修正后该时栅转台的最大误差值仅为0.4”。

同时，参照《多齿分度台》（ JJG 4722007）中规程的相应内容[4]，对该时栅转台进行测角重复性实验。检定时，以转台的0°作为起点，自准直仪对准棱体的0°工作面，取三次对准读数的算术平均值为a，再依次以15°39′7.8″为间隔转动23个位置，得到ai，a2，…，a23，最后回到棱体0。位置。然后以相同方向进行第二周的测量，得到a1，a2，…，a23'。计算各点差值公式为：

时栅转台测角重复性计算数据如表1所示，按公式（2）计算得到该转台测角重复性为0.1”。 对于时栅转台的定位误差测量，输入指令使转台每次沿同一方向转动15°39′7.8″，通过正多面棱体与自准直仪测量转台每次实际转动角度，将实际转动值与理论值进行比较，其差值作为转台的定位误差。测得该误差曲线如图3所示，测得其定位误差为±1”。

4 结论

实验采用高精度自准直仪以及二等正多面棱体对时栅数控转台的误差进行测量，通过两次测得系统误差的修正后.测得该时栅转台的分度误差为0.4”，其重复性为0.1”，定位误差为±1”，该转台可用于高等级的光电轴角编码器测量，也可应用于经纬仪及全站仪等的角度检测。

参考文献：

[1]彭东林，刘小康，张兴红，等.时栅位移传感器原理与发展历程[J].重庆理工大学学报（自然科学版），2010（ 10）：40-45.

[2]彭东林，肖伟，郑方燕，等.基于时栅传感器的编码器信号分析[J].重庆理工大学学报（自然科学版），2011（1）：82-84.

[3]高忠华，陈锡侯，郑方燕，时栅角位移传感器误差修正及其测试系统[J].仪表技术与传感器，2012（9）： 75-77.

[4]何超琼，顾耀宗，邹九贵，等.JJG 472-2007多齿分度台[S].北京：中国计量出版社，2007.