转台角位置误差校准技术*

杨华晖，冯伟利，刘福

（1.军械技术研究所，石家庄050003；2.军械工程学院，石家庄050003；3.北京航天测试计量技术研究所，北京100076）

转台角位置误差校准技术*

杨华晖1，2，冯伟利3，刘福1

（1.军械技术研究所，石家庄050003；2.军械工程学院，石家庄050003；3.北京航天测试计量技术研究所，北京100076）

角位置误差是评定转台性能的重要指标。对当前几种转台角位置误差校准技术的校准原理、校准方法及校准装置进行阐述和分析，比较各种校准技术的特点，最后对校准实际中需解决的关键问题和发展前景进行了总结展望。

角度计量，角位置误差，转台校准

0 引言

转台按用途可分为测试转台和仿真转台，其广泛应用于航空航天和兵器工业等领域。本文主要对精密测试转台的角位置误差校准技术进行阐述，但在实际应用中，仿真转台和惯性测试转台的分项及综合指标基本都是角度量，因此，可以看作角度计量技术的重要分支［1-2］。

角位置是转台设备的重要工作状态，其中定位误差是测量误差和控制误差的综合。转台角位置误差校准技术是在静态测角基础上对旋转物体全圆周转角测量问题的深入研究，从测量方法上可分为机械式测角、电磁式测角和光学测角，近年来具有非接触、高准确度和高灵敏度优势的光学测角方法研究逐渐深入，应用也越来越广泛［3］。文献［3］对发展起来的光学小角度测量方法和可用于整圆周角度测量方法作了较为全面的阐述，但这些小角度和整圆周测角方法并不一定适用于对转台的角位置误差进行校准，例如衍射光栅干涉测角方法，主要是测量灵敏度复杂的问题，因此，未见有转台角位置误差校准的应用实例［4］；光学内反射小角度测量法测量范围主要在10°以内，无法实现全圆周角位置误差的计量校准［5］；环形激光器测角法虽然可以用于多面棱体和光学编码器的校准，但只能实现动态测量，难以对转台静态的定位误差进行有效测量［6-7］。基于上述分析，本文将对当前工程实践中的几种角位置误差校准技术进行评述。

1 光电自准直仪与多面棱体法

转台的分度精度常按照GJB1801-1993角位置误差测量实验的综合试验法进行标定［8］。如图1所示，该角位置误差校准实验使用正多面棱体（一般为23面棱体）和光电自准直仪作为标准仪器，也可使用多齿分度台和平面镜取代正多面棱体，提高测量间隔的灵活性［9］。另外为消除多面棱体的工作角偏差的影响，通常采用排列互比法（全组合法）进行测量，其原理是将受检定装置和正多面棱体在全圆周范围内按顺序进行闭合的、独立的比较测量，并用最小二乘法原理求取转台角位置误差［10］，校准精度可达0.2''，但是全组合法需要检测出的数据量非常大。因此，文献［11］介绍了一种通过递推最小二乘法在给定检测指标情况下减少测试数据的计算方法。在利用正多面棱体偏差对转台进行检定时，要注意自准直仪读数和正多面棱体偏差的符号取定，文献［12］对转台角位置误差校准时利用正多面棱体偏差进行直接测量的方法作了详细介绍，并进行了实验验证，具有准确度高、操作简单和方便可行等优点。

另外在使用光电自准直仪和多面棱体对转台角位置误差校准时，要特别注意：一是在校准前将多面棱体要尽可能安全可靠地安装在夹具上，并使用千分尺调整正多面棱体安装在与被测转台轴系回转中心同轴的位置，以及要考虑“塔差”带来的影响；二是光电自准直仪光轴要调整到与棱体工作面垂直的方向，且要安装在隔震基础好的转台上。文献［13］给出了标准器安装与调整的具体方法。

尽管该方法已经较为完善和成熟，但是在实际测试过程中，仍面对着装调工作复杂，测试流程繁琐以及在对三轴或多轴转台进行校准过程中部分测点误差缺失等情况［14］，因此，这种测试方法无法在不同结构的转台上全部实现。

2 激光干涉转角测量法

激光干涉任意转角测量方法是在激光干涉小角度测量的基础上发展起来的，目前激光干涉任意角测量方法有用双平面反射镜法［15］、定值角型［16］和双频激光楔形平板干涉法［17］，但在当前转台角位置误差校准技术中，主要还是以激光干涉仪和平面反射镜代替光电自准直仪和多面棱体，如图2所示。激光头内置激光器和相敏光电传感器，角度干涉镜由一个分光镜和一个反射镜组成，角度反射镜实际是一组角锥棱镜。被测转台置于激光干涉仪的测量光路中，角锥棱镜随转台转过角度产生光程差，从而将转台微小角度变化转化为干涉条纹的变化，其校准精度可优于0.2''。

由于激光干涉转角测量范围一般不超过±5°，因此，转台测角系统标定时可以利用小角度标定数据来评定其测角精度，但如果要进行全圆周角位置误差的校准，需在测量系统中配合回转轴校准装置［18］，如Renishaw激光干涉测量系统的无线回转轴校准装置采用了高精度圆光栅进行测角。因此，该方法不能完全依赖激光干涉法对转台角位置误差进行校准。

高精度的干涉测量采用的均是经稳频的双频激光测量方式。文献［19］中提出了一种使用闪耀光栅代替角锥棱镜的激光干涉任意转角测量方法，简化了测量装置。但这种校准装置整周测角重复性误差为5%，且需要两套在空间相互垂直的干涉系统，装调复杂困难。因此，文献［20］采用非线性误差补偿方法通过一路测量光路获得输出信号，但仍在80°～100°和260°～280°两端无法直接测量。

3 激光跟踪仪标定法

激光跟踪仪是利用激光测距和二维精密跟踪转台组成的大尺寸空间三维坐标测量装置，激光测距系统由干涉测距（IMF）和绝对测距（ADM）提供距离数据，二维精密跟踪转台提供水平方向和俯仰方向的角度数据［21］。如下页图3所示，使用激光跟踪仪对转台角位置精度进行标定时，激光头用以发送并接受玻璃棱镜反射的激光光束，从而测算出反射点的空间坐标，通过圆心拟合算法求取转台的角位置误差［22］。

激光跟踪仪标定转台精度的方法相比国军标方法具有设备装调简单，工作效率高，对环境要求低，适用范围广等优点。但单台激光跟踪仪在水平方向的跟踪角仅为小角度圆弧范围，因此，如果要实现对转台全圆周角位置误差的标定，需要2～3台激光跟踪仪同时进行测量，但高精度激光跟踪仪成本过高，因此，用其实现全圆周测量并不现实。

文献［22］给出了通过在45°范围内间隔采样（0.01°）增大样本量的方法拟合出转台圆心，满足了转台标定的精度要求。但这种间接测量方法校准精度低，一般为30''左右，且在转台角位置误差校准实际中并不通用，只有在多面棱体等光学元件难以安装在转台主轴上等特殊情况下可以考虑使用。另外激光跟踪仪的二维精密转台一般使用圆光栅等测角传感器，因此，该方法同激光干涉仪一样，并不是完全依赖激光测距技术完成对转台角位置误差的校准。

4 经纬仪标定车载转台

电子经纬仪可以代替光电自准直仪在与多面棱体配合实现对转台角位置误差的校准。另外文献［23］给出了一种用高精度电子经纬仪标定大型偏心转台、车载转台等旋转构件的方法，如图4所示。通过垫片调整转台水平，放置电子经纬仪在转台中心位置，通过寻找远处静态目标点校准转台角位置误差。该方法克服了偏心转台回转中心难以确定以及自准直仪视场小等缺点，但这种间接测量方法的观测点难以选择，标定精度在30''左右。

5 结论

转台角位置误差校准技术是与光学小角度测量方法的发展密不可分的，校准实际中使用较多的还是光电自准直仪与多面棱体法，或用经纬仪、高速线阵CCD代替光电自准直仪。通过对以上角位置误差校准技术、装置以及方法的总结，还能归纳出以下几点问题：

（1）当前几种方法均是针对转台在水平面方向旋转的角位置误差进行的校准，对两轴、三轴或多轴转台俯仰、倾斜方向的校准技术并没有进行深入研究，因此，其校准技术难以在不同结构的转台上具体实现。

（2）上述几种技术都是角度测试设备与转台在分离状态下实施的校准，因此，为避免大地振动产生的影响都需要在隔震基础好的情况下进行，对环境和测试条件要求较高。

（3）当前校准方法对三轴转台的中框、内框进行校准时需要在轴端安装多面棱体或反射镜，忽略了转台工作面因机械形变产生的误差，且在轴端安装测试设备时装调更为困难，需设计测试工装辅助进行。

转台角位置误差是评价其性能的重要指标，本文介绍了当前几种在工程实践中应用的校准技术，并对其存在问题进行了分析。高精度光学测角传感器的不断发展成为转台角位置误差直接校准技术的重要发展方向，是值得计量校准科研人员探索的新领域。

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Analysis of Calibration Techniques for Angular Positioning Error of Turntable

YANG Hua-hui1，2，FENG Wei-li3，LIU Fu2
（1.Ordnance Technological Research Institute，Shijiazhuang 050003，China；
2.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；
3.Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology，Beijing 100076，China）

Angular positioning error is one of the important performance index to evaluate the performance of turntable.This paper reviews the present ways of calibration techniques for angular positioning error of turntable，including calibration principles，calibration methods and calibration devices，and compares the features of these calibration techniques.Finally，it concludes the calibration technologies to solve the key issues in practice and development prospects.

angle metrology，angular positioning error，turntable calibration

TB92

A

1002-0640（2017）01-0159-03

2015-10-15

2015-12-07

军工计量科研基金资助项目（J032008A005）

杨华晖（1992-），男，山东潍坊人，在读硕士研究生。研究方向：装备计量检定。