提高测角精度的双读数头转台设计

提高测角精度的双读数头转台设计娄云鸽;严隽藩;陈伟伟【摘要】转台的测角精度在测量轴类零件的圆度、圆柱度等几何精度中起着至关重要的作用.为了提高轴类零件测量仪中转台的测角精度和稳定性,研发了一台采用双读数头结构的数控转台.首先分析了双读数头消除误差的原理,并比较了数模信号取平均值法的优缺点.然后在转台结构方面进行了创新设计,采用气体静压的半球轴承技术减小制造和调试难度.最后采用自准直仪进行单、双读数头两种方案的转台测角精度对比实验,实验表明,对双读数头数字信号采用求平均值法,能有效提高转台测角精度.【期刊名称】《机械制造》【年(卷),期】2015(053)001【总页数】3页(P17-19)【关键词】圆光栅;双读数头;转台;球轴承;角度测量【作者】娄云鸽;严隽藩;陈伟伟【作者单位】上海电气(集团)股份有限公司中央研究院上海200070;上海电气(集团)股份有限公司中央研究院上海200070;上海电气(集团)股份有限公司中央研究院上海200070【正文语种】中文【中图分类】TH113.2+1随着测量技术的不断发展，对数控转台的精度及性能的要求越来越高。

影响转台精度和稳定性的因素很多，除转台结构设计、测量部件、控制方法及控制工具等与转台系统设计制造有关因素外，还包括工作温度、湿度等环境因素。

回转轴系是提高转台回转精度的关键部件，回转轴系的设计理念已从简单应用机械学、消除多余约束向综合应用弹性力学的平均原理和动力学方向发展［1］。

通常高精度转台的回转轴系采用气体静压技术，其最大的优点是具有误差均化作用，一般情况下，气体静压轴承的回转运动精度比轴承零件的制造精度高3～5倍［2］。

在测量凸轮轴、曲轴、圆柱体等轴类零件误差的综合测量仪中，转台的测角精度需高于被测目标精度一个数量级。

通常采用优化转台结构和选择合适的测量方法来提高转台的测角精度，目前最常用的测量方法是光学测量法，其测量准确度和稳定性均优于电磁分度技术，且以圆光栅作为光学测量法的基准元件，可以采用多读数头圆光栅结构，将多个读数头采集的信号通过平均读数的原理来减小转台的测角误差和安装偏心误差。

基于以上思路，笔者研制了一台高精度气体静压数控转台应用于轴类零件综合测量仪中，转台的工作台面直径300 mm，测角精度≤±2.5″。

该转台采用双读数头圆光栅结构和气体静压球轴承技术。

1.1 圆光栅提高转台测角精度光学测量法中，圆光栅是测量转台测角精度的重要元件之一，圆光栅精度等级和分辨率直接影响转台的测角精度。

圆光栅安装在转台的回转部件上，随着转台的回转轴系旋转时，其刻线与读数头指示光栅的刻线会形成莫尔条纹，读数头内部的光电转换器将莫尔条纹转换成周期性变化的电信号（正、余弦信号），从而实现了位移信号到电信号的转换。

根据莫尔条纹变化的次数、圆光栅的栅距和圆光栅的半径，通过计算可以得到转台转过的角度。

为了提高转台的测角精度和分辨率，需要对圆光栅输出的原始信号进行细分处理［3］，经过信号细分、整形后，将一个周期的正、余弦信号转换成若干脉冲信号，使角度分辨率和角度测角时的精度得到很大的提高。

1.2 多读数头信号处理方式多读数头圆光栅结构具有提高测角精度的优点，已被广泛应用到高精度的分度测量装置中［4］。

圆光栅读数头的输出信号包括模拟信号和数字信号，两类信号均可以通过相加求平均值的方法提高测角精度。

用模拟信号求平均值法时需要考虑信号相位的影响，如果圆光栅安装存在偏心，读数头在相同时刻的不同位置采集到的信号会存在一定的相位差［5］，如果将多读数头的信号进行简单的相加求平均值，则不能有效地减小测角误差。

模拟信号求平均值法需要将相位和幅值作为计算的附加项，通过复杂的计算和高难度的安装调试工艺才能达到减小测角误差的目的。

用数字信号求平均值则不存在相位的影响，数字信号求平均值是将每一个读数头视为独立的信号处理单元，将每一个读数头采集的信号进行求和，再求平均值［6］，得到最终的测角误差，该方法具有安装调试简单的优点。

1.3 双读数头圆光栅结构为了有效提高圆光栅测角系统的精度，综合考虑成本和安装工艺等因素，采用对径安装的双读数头方案，如图1所示。

系统将两读数头采集的模拟信号，通过SIGNUM信号细分盒进行细分，转化为数字信号，传输至具有双信号接口的DSI信号处理器中，DSI信号处理器将两路数字信号进行求和、求平均值。

该测角系统中采用英国Renishaw公司的RESM系列圆光栅，外圈直径300 mm，刻线数47 200，刻线周期为20 μm，角周期为27.5″，经过400倍的电子细分后的角度分辨率为0.069″。

从图1可以看出，圆光栅相对于对径安装的双读数头会出现垂直、一致、夹角3种不同的偏心情况：①当圆光栅与双读数头的连线出现垂直的偏心量e时，读数头1的读数+e，读数头2的读数-e，求平均值后，读数头1和读数头2的总输入为0；②当圆光栅刻盘与双读数头的连线出现一致的偏心量e时，不影响读数头的读数，读数头1的读数为0，读数头2的读数为0，其总输入为0；③当圆光栅刻盘与读数头的连线出现夹角为θ的偏心量e时，读数头1的读数+esinθ，读数头2的读数为-esinθ，读数头1和读数头2的总输入量为0。

因此可以得出结论，双读数头数字信号的求和、求平均值不受单个读数头读数的影响。

转台的回转轴系是转台的关键部件，采用半球轴定心、平面支撑的新型气体静压轴承结构，如图2所示。

半球定心轴承具有能够同时承受轴向、径向载荷并具备自动调心的优点［7］。

平面止推轴承能够提高轴承的轴向承载力，其最佳刚度和最佳承载设计准则为：当节流器位于1/2的位置时，轴承获得气膜间隙范围内的最大承载量；当节流器位于1/3的位置时，轴承获得最大刚度。

根据最佳刚度和最佳承载力设计准则及转台的承载能力要求，平面止推轴承分布在直径为150～210 mm的圆环区间内。

半球轴和球瓦的加工工艺为：首先完成半球轴的粗加工→半精加工→热处理→精加工（研磨），然后通过半球轴与球瓦的配研来满足气膜的间隙要求。

该结构与双半球轴结构相比，优点是只需完成一个半球轴与球瓦的配研，大大降低制造和装配的难度。

为了验证双读数头圆光栅结构能够有效地提高转台的测角精度，在22±2℃的环境下分别对单、双读数头两种不同配置的转台进行测角精度对比实验，图3为双读数头转台实物图。

3.1 转台测角精度测量原理转台测角精度测量实验采用光学测量法，图4为测量角位置误差示意图，自准直仪安装在固定基座上，调节自准直仪的高度，保证自准直仪能够接收从23面棱体反射的信号。

为确保实验结果的准确性，在进行单、双读数头转台的测角精度测量实验中，只改变圆光栅读数头输出信号个数，自准直仪和23面棱体的安装位置在实验过程中不发生任何变化，23面棱体的系统误差经过计量单位标定。

当转台处在0°位置时，将23面棱体安装在转台上并调整其位置，使其回转中心与转台回转中心重合，且23面棱体的第一个工作面正对自准直仪，记录自准直仪的读数zz1；旋转转台使23面棱体的第i个工作面正对自准直仪，记录自准直仪的读数zzi；旋转转台直至完成23个工作面的读数zz23。

本文中23面棱体工作面的增加方向与自准直仪的读数增加的方向一致，根据23面棱体工作面的系统标定误差△θi及自准直仪在设定回转角度的读数zzi，求得转台的测角误差△θ。

3.2 实验结果用单读数头转台进行测角精度实验时，将读数头采集的1Vpp模拟信号经过细分盒，进行400倍细分后将数字信号传输到转台驱动器中，控制转台旋转。

最后，得到单读数头圆光栅转台的测角误差为-1.04～7.97″，未满足转台测角精度的技术要求。

用双读数头转台进行转角误差测试时，两个读数头采集的1Vpp模拟信号经过细分盒，进行400倍细分后将数字信号传输到信号处理器DSI中，经过平均后的信号传输到转台驱动器中，控制转台旋转。

最后，得到双读数圆光栅转台的测角误差为-0.11～1.67″，能满足转台测角精度的技术要求。

实验表明，在转台的结构和实验条件都相同的情况下，双读数头圆光栅的测角精度高于单读数头测角精度的5倍。

可以看出，单读数头圆光栅引起的测角误差主要是由于零件的制造误差和转台装配工艺引入的偏心误差，而对径安装的双读数头能够有效消除这类误差，单读数头转台要达到双读数头转台的精度等级，就需要降低零件的圆度误差和提高转台的装配精度，这样就增加了转台的制造难度和制造成本。

转台的测角精度是影响轴类零件测量精度的重要因素。

本文研制了一台双读数头气体静压转台，综合考虑制造成本及安装工艺等因素，采用了对径安装的双读数头圆光栅结构方案。

在转台的结构方面进行了一定的创新设计，采用能够降低装配和调试难度的半球轴定心、平面支撑方案。

最后，采用了光学测量方法对单、双读数头转台的测角精度进行了对比实验，最终验证了双读数头转台能够在不提高零件制造精度和装配精度的前提下提高转台测角精度的结论。

中国质量认证中心上海评审中心近日对上海机床厂有限公司进行ISO9001质量管理体系、GB28001环境管理体系与GB24001职业健康安全管理体系“三体系”贯标审核。

其中，环境与职业健康安全管理体系是首次审核。

评审专家分成六组，严格依照“三体系”规定条款，对公司各车间部门、管理处室以及最高管理者进行了全覆盖审核。

经过4天的审核验证，审核组一致认为，该公司“三体系”运行有效。

【相关文献】［1］苏东风．高精度标定光栅测角系统关键技术研究［D］．北京：中国科学院研究生院，2011．［2］李圣怡，戴一帆．精密和超精密机床设计理论与方法［M］．长沙：国防科技大学出版社，2007．［3］于耕，马晓梅，郭华鹏．圆光栅测角系统信号细分电路设计［J］．电子设计工程，2012，20（15）：99－102．［4］马国庆．高精度伺服转台关键技术研究［D］哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010．［5］Portman V，Peschansky B.Phase-statistical Method and Device for High Precise and High-efficiency Angular Measurements［J］.Precision Engineering，2001，25（4）：309-315．［6］苏东风，续志军，贾继强，等．提高圆光栅测角系统精度的读数头设计［J］．电子测量与仪器学报，2013，27（7）：653-657．［7］郭良斌，王祖温，孙昂．小孔节流静压气体球轴承的结构参数设计［J］．哈尔滨工业大学学报，2005，37（11）：1595－1598．。