测角仪的结构设计论文Word格式.docx
《测角仪的结构设计论文Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测角仪的结构设计论文Word格式.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
关键词：
测角仪;
结构设计;
自准直
Structuraldesignoftheanglemeasuringdevicebasesdonautocollimationaimingmethod
Abstract
Preciseanglemeasurementisthepointofgeometricmeasurementofanimportantproject,butalsoitisamorecomprehensivebranchinthedevelopmentofscientificmeasurement.Opticalanglemeasurementmethodsbecomedmuchattentionwhichithasanon-contact,highaccuracyandhighsensitivityofthecharacteristics.Thisdeviceappliestothebasedonautocollimationaimingmethodtomeasuredpiecethereflectionofthehigherrate.Sincetheuseofautocollimationprinciplesofconductaimedatthemeasuredpieces，throughdegreetrayreadingsofthesettocomplete0º
-360º
angleofthearbitrarymeasure,andthroughtheautocollimationalreadingstocompleteahigherprecisionmeasurement.Thisequipmentincludesaimingsystemsandthemeasurementsystem，targetingsystemusedfortheprecise±
2″collimatortocomplete.Itcanbeconductedregulationupwhichthecollimatorlevels,highandlow,overlookingtrue.Supportingtheprecisionoftheshaftwasrevealedthatthemainmeasurementreadings.Themeasurementaccracy±
ofthisequipment.
KeyWords:
goniometer;
structuraldesign;
autocollimation
2.3.3直径误差13
1绪论
1.1课题研究的背景与意义
精密角度测量是几何量测量的一个重要项目，也是计量科学中发展较为完备的一个分支，在过去的20年中，角度测量的精度也提高了10倍多。
角度测量技术分为静态测量和动态测量两种，某些静态测量技术仍然是动态测量的基础，一些动态测角技术可以实现静态测量。
对于静态测量技术来说,目前的主要任务集中在如何提高测量精度和测量分辨力上。
随着工业的发展,对回转量的测量要求也越来越多,因此人们在静态测角的基础上,对旋转物体的转角测量问题进行了大量的研究,产生了许多新的测角方法。
目前，很多重要的测控仪器，如陀螺转台、经纬仪、星体跟踪器、雷达、导弹发射架、空间望远镜、高精度数控机床、机器人等系统中一般都需要角度传感器，用于测量被测物体相对于某基准方位的绝对转角或相对于自身在不同时刻的相对转角。
光学测角方法由于具有非接触、高准确度和高灵敏度的特点而倍受重视[3]。
随着现代自动控制系统、惯性导航系统、精密零件制造业的发展，对角度测量的准确度又提出了更高的要求，例如高准确度的控制系统需要测量误差小于几个角秒的角位移测量结果。
传统的光学小角度测量方法通常基于干涉或者自动准直[4]。
目前，很多重要的测控仪器，如陀螺转台、惯导平台、经纬仪、星体跟踪器、雷达、导弹发射架、空间望远镜、高精度数控机床、机器人等系统中一般都需要角度传感器，用于测量被测物体相对于某基准方位的绝对转角或相对于自身在不同时刻的相对转角。
随着测控技术的发展，系统要求的测控精度越来越高。
然而，角度测量仍然存在各种各样的问题，主要有：
精度不够高或只能在小角度测量时得到高精度，精度提高使产品尺寸和重量过大，全周界绝对角度测量装置的测量精度不高，小型化方面存在技术困难，动态围小，对关键元件要求苛刻，对环境要求高，可靠性低，不易实现与其它仪器融合等等.这就要求研制出适合的仪器以用于实际的生产中。
测角技术中研究最早的是机械式和电磁分度式测角技术。
机械式测角技术主要以多齿分度盘为代表。
多齿分度盘的雏形出现在本世纪30年代，作为一个完整的圆分度器件，是由美国Gate公司研制并于1960年获得专利，当时其分度达±
0.25″。
由于多齿分度盘的齿数不能无限增加，因此细分受到限制。
解决办法是采用两组或多组多齿分度盘叠放在一起，利用差动法进行细分。
从原理上讲，完全有可能设计四层或更多层的多齿分度台，但由于各层之间的同轴度难以保证，齿盘起落结构复杂等原因而难以实现。
为进一步扩大应用围和减小定位不确定性，可以采用细分结构。
本课题主要训练设计测量装置和仪器的能力。
本课题涉与简单光路设计，结构设计，测量的基本方法，误差分析，零件加工和仪器装校的工艺性等知识容的综合运用，对测控技术与仪器专业的学生对以后从事光学测量装置与其它测量仪器的设计打下良好的基础。
1.2现状与展望
测角技术中研究最早的是机械式和电磁式测角技术,如多齿分度台和圆磁栅等,这些方法的主要缺点大多为手工测量,不容易实现自动化,测量精度受到限制。
光学测角方法由于具有非接触、高准确度和高灵敏度的特点而倍受人们的重视,尤其是稳定的激光光源的发展使工业现场测量成为可能,因此使光学测角法的应用越来越广泛,各种新的光学测角方法也应运而生。
目前,光学测角方法除众所周知的光学分度头法和多面棱体法外,常用的还有光电编码器法、衍射法、自准直法、光纤法、声光调制法、圆光栅法、光学反射法、激光干涉法、平行干涉图法以与环形激光法等[1]。
这些方法中的很多方法在小角度的精密测量中已经得到了成功地应用,并得到了较高的测量精度和测量灵敏度,通过适当的改进还可对360°
整周角度进行测量。
对于众所周知的光学分度盘、轴角编码器、光电光楔测角法等[1]来说,由于应用较多,技术比较成熟，本文不作介绍。
对于众所周知的光学分度盘、轴角编码器、光电光楔测角法等来说,由于应用较多,技术比较成熟,本文不作具体介绍。
下面主要介绍几种近几年来发展起来的可用于整周角度测量的方法。
1.2.1环形激光测角法
环形激光器已发展成为在360°
整周角度围的高测量精度和高测量分辨力的角度和角速度传感器,在惯性导航和角度定位方面有重要的用途。
环形激光是转速测量准确度最高的方法,转速测量相对准确度可达到10-6。
研究环形激光器最多的国家是德国和俄罗斯。
用该技术测角有以下优点:
（1）易实现自校,可以在测量过程中确定环形激光器的比例因子,从而大大减小了测量误差。
（2）可以实现高速转角测量,动态响应围宽。
（3）可以在转速测量的同时实现转角测量,还可以测量瞬态转速。
缺点是加工工艺难以保证,成本高,对环境要求严格,这是环形激光器没有得到大量应用的最主要原因。
主要误差来源是“频锁”、“零漂”、“频率牵引”和地球自转的影响。
如图1.1所示，当被检量具和环形激光器相对于静止的光电自准直仪同步转动时,在瞄准轴与量具棱面法线相重合的瞬间,被测角度转换成由光电自准直仪产生的光电流触发和停止脉冲所需的时间间隔,接口装置在此间隔对环形激光脉冲读数。
圣彼德堡电子大学和PTB合作研制的精密环形激光测角计可用于光学多面体和光学编码器的校准、旋转物体的外部角度测量和测角仪本身的部旋转角测量。
该装置的原理和上面介绍的基本一样。
为了消除环形激光器比例系数绝对值长时间波动引起的测量误差,与测量过程同时进行激光器校准,即用2π角度（整转）的周期数相加的方法确定环形激光器差频周期的角值。
与标准角度测量方法相比,该装置在1r/s的转速围,测量准确度达到0.5μrad（0.1″）。
他们还将环形激光用于衍射光谱仪衍射角的测量,在0°
~360°
围测量误差大约为0.05弧秒。
图1.1环形激光器任意角度干涉测量原理图
1.2.2激光干涉大角度测角法
下面是几种激光干涉任意角测量方法：
（1）用双平面反射镜实现任意角度测量
该系统的构成如图1.2所示。
系统的核心部分由旋转RM、旋转镜悬架SU以与防倾斜装置TP构成。
防倾斜装置TP能够保证在一周的旋转围,由旋转镜RM的两镜面构成的直角的角平分线始终与入射的激光束平行。
当旋转镜悬架SU转动θ角时,旋转镜RM在光线入射方向移动相应的距离,光电元件接收的干涉条纹数发生相应的变化[11]。
该方法存在的主要问题是平面镜的表面形貌和两平面镜的直角误差都会对测量结果产生影响,另外机械导杆的运动平稳度也会使结果产生偏差,需要用算法进行修正。
图1.2用双平面镜实现任意角度测量的系统原理图
TP—防倾斜装置;
SU—旋转镜悬架;
BS—分光镜;
RM—双平面反射镜;
M1,M2—平面镜。
（2）定值角型任意角干涉测量技术
两块平面镜以一定的夹角排列而构成的光学组件即为定值角,用标准定值角取代迈克尔逊干涉仪中的测量反射镜就构成定值角干涉仪。
大学根据该原理设计的一个双定值角型测角系统光路如图1.3所示。
由激光器1出射的光束经扩大镜组2、针孔滤波器3、准直透镜5、限束光阑6、平面反射镜7、分光镜8后分成两束,分别进入由长平面镜9和被检多面棱体12构成的双定值角,经反射后在分光镜8上产生干涉,干涉信号由CCD元件4接收。
这一路光称为多面棱体检定光路,与其对称的右半部分称为双定值角测量-跟踪干涉仪,工作原理与其完全一样。
该系统能在0°
围实现任意角度的高准确度测量,测量不确定度优于0·
3″。
该方法的主要问题是标准定值角的加工与安装精度比较难保证,而且测量过程中需要一套双定值跟踪系统,结构比较复杂。
图1.3 双定值角型任意角干涉
测量原理光路图
1—激光器;
2—扩束镜组;
3—针孔滤波器;
4—CCD元件;
5—准直镜;
6—限束光阑;
7—平面镜;
8—分光镜;
9—长平面镜;
10—平面镜;
11—平面镜;
12—被检多面棱体
1.3本文主要研究容
本课题研究的主要容为设计一个自准直仪瞄准方式的测角仪仪，其测量围为角度值
，测量精度
，采用对径读数方式的度盘读数，主要设计出瞄准单元、测量单元、支承调整单元，根据总体结构设计各功能部件的结构。
由于自准直仪的测角围是有限的，只能进行小角度的测量，只有经过结构方面的设计才可以满足全角度测量，即本文的研究主要为测角仪的结构设计。
2测量原理
2.1光电自准直原理与测角仪的瞄准方法
自准直仪是利用光学自准直原理[4]，用于小角度测量的重要测量仪器。
望远镜加反射镜即可构成一个简单的自准直仪。
由于自准直仪具有较高的准确度和测量分辨力，因而被广泛应用于精密的测量工作中，如:
在角度测量、平板的平面度测量、轴系的角晃动测量、导轨的直线度测量等方面自准直仪发挥着重要的作用。
光学自准直法中采用的是平行光原理2-1所示，当光源发出光线照明位于物镜焦平面上的分划板上的目标O时，如果O点在物镜光轴上，那么由它发出的光线通过物镜后，成一束与光轴平行的平行光射向反射镜，当反射镜面垂直于于光轴时，光线仍按原路返回，经物镜后仍成像在分划板上O处，与原目标重合。
如下图2-1自准直原理（反射镜垂直光轴）
图2-1自准直原理图
而当反射镜面与光束不垂直，偏过一个角度α时，那么在平行光轴的光线射向反射镜时，光线按反射定律与原光线成α角返回，通过物镜后成像在分划板O'
处，与原目标O不重合而有OO'
的位移量（如图2-2）
图2-2反射镜倾斜后的光路
当反射镜偏角为α时，根据几何光学原理，光线就偏转α，这时就相当于进入物镜的是与光轴成角的平行光束，因此使目标O与成像处有x的位移量，根据图2-3可推算出
（2-1）
式中
为反射镜偏转α角时在分划板上的目标位移量；
为物镜焦距（mm）。
图2-3反射角
与移动量
之间的关
因为物镜是固定的，所以f是一固定常数。
如果已知了x的数值（x可以从分化板上读出），就可以根据公式（2-1）推导公式算出反射偏角α的大小，即：
（2-2）这就是自准直法的基本原理。
测角仪测量时瞄准的方法，依据的是自准直原理。
其瞄准是利用自准直仪光源发出的光，照亮了位于物镜焦面上的分划板，经物镜后成平行光束，这样的简单光学装置即平行光管[16]。
垂直于光轴的反射镜反射回来的平行光束通过物镜仍在分划板上的原来位置成一实象。
这种现象称为“自准直”。
平行光管与反射镜即构成自准直光管（准直仪）.只有当此时的反射镜角度为零时才能在分划板上原来位置成一实象。
此时自准直仪为零状态。
2.2测量与读数原理
本仪器的测量方法为：
先将被测件放于测角仪的载物台上，用自准直仪对A面进行瞄准，保持载物台位置不变，转动分度圆盘，使其零刻线（起始刻线）对准测角仪读数标志刻线，此时，仪器处于零状态，并将载物台与分度圆盘固定在一起，同时转动使从B面反射回来的光线照在自准直仪的分划板上，原理如
图2-1所示，然后进行读数。
其中，分度盘采用0.5°
/1mm，由此可以计算出它的D=229.18㎜。
图2-4自准直测角原理图
本仪器的读数方法为：
先用分度盘粗读出角度值，然后通过自准直仪测量角度的原理精读出角度值[16]。
即先将被测件置于载物台上，当被测件的角度大于自准直仪的测量围时，先用自准直仪对其进行瞄准，此时将自准直仪处于零状态下，然后转动分度盘一个合适的角度，此时再用自准直仪小角度的方法读出这个剩余的小角度，将这两个角度进行相加，即可得到被测件的角度。
本次设计的测角仪主要针对具有高反射率和表面光滑的物体平面而言，例如三棱镜。
如图1.1所示，测量时，首先将被测件置于载物台上，先用自准直仪对被测件上被测角的一个平面进行瞄准，使光电自准直仪显示屏上的十字中心与坐标原点重合。
此时，固定载物台，将分度圆盘的0刻线和标刻线对齐，亦即180刻线，也与另一标刻线对齐。
然后，将载物台与分度圆盘固定在一起，解除对载物台的固定。
同时转动载物台与分度圆盘直至被测角的另一平面与光电自准直仪的侧头尽可能垂直，瞄准该面，使光电自准直仪显示屏上的十字中心与坐标原点重合，观察分度圆盘，如图1.2所示，让分度圆盘上离标刻线最近的刻线与标刻线对准，读出分度盘上的角度值，再读出光电自准直仪上的角度值，二者之和即为被测件转动的角度，设为β。
被测角度为α，α与β的关系为α+β=180°
即α=180°
-β
（1）。
图1.1测角原理图
图1.2刻线就近对准
1.2读数原理
图1.3对径读数原理图
根据要求，本测角仪采用的是对径读数，即规定分度圆盘顺时针转动。
由式
（1），如图1.3所示，若零状态时，0刻线与标刻线盘A处对齐，180刻线与标刻线盘B处对齐，将圆分度盘与载物台所在轴锁紧，同时转动载物台与圆分度盘，再次瞄准并对齐。
当分度圆盘上的与A处标刻线就近的刻线跟A处标刻线对齐时，读出相应的角度值，记为β1，则可以得到：
。
为提高精度，同理当离标刻线盘B处最近的刻线与B处标刻线对齐时读出的角度值，记为β2，则可以得到：
根据
（1）式得到所要测角度值为
亦即，
2.3误差分析
凡用来直接或间接将被测量和已知量进行比较的器具设备，称为仪器或仪表，它们本身都有误差。
在该仪器的设计中，由于涉与到瞄准单元，测量单元和支承单元的设计，因此在设计中不可避免的会产生误差，该误差包括原理误差，加工误差，装配误差。
其中原理误差为：
由于被测件必须具有高反射率，当被测件的反射率不理想时，则测量出的小角度的值在经过CCD进行后续处理时会产生小的误差。
但由于所采用的ELCOMATvario140/D40型号的自准直仪，其所具有的在电路中进行的误差补偿，所以原理误差是很小的，可以忽略不计。
加工误差中，其中主要有圆分度误差，零起分度误差，分度间隔误差，直径误差；
装配中的主要误差为垂直度误差。
2.3.1圆分度误差
把圆周进行等分（例如n等分），从而得到所需要的角度，称为圆分度。
各种圆分度器件都具有圆周封闭的特点，对它们进行圆分度时产生的不均匀性就是圆分度误差。
各分度刻线（或具有分度特性的几何要素）的实际位置对其理论位置的偏差。
用qi表示。
分度误差有正负值。
以刻线的理论位置为准，实际刻线在角度增加的一侧，则分度误差为正，反之为负。
图2.3圆分度误差示意图中，θ0为正值，θ1为负值，θ2为零。
图2-5圆分度误差示意图
圆分度误差的大小取决于刻线的理论位置。
用于质量评定的刻线理论位置是以全部圆分度误差之和等于零为条件来确定的。
即根据给理论位置确定的刻线误差具有
的特性，且由该理论位置得到的圆分度误差是唯一确定的。
但由于现今的刻线技术的发展，这些在理论上的误差已经变的很小，采用高精度圆刻线机用于刻制度盘，分度精度在0.2″～2″之间。
圆刻线机由高精度蜗杆蜗轮副（见蜗杆传动）控制分度。
高精度圆刻线机采用特高精度的球面蜗杆蜗轮副，主轴一般采用带锥度的滑动轴承，精度要求极高。
故而圆分度误差最大为：
1″。
2.3.2分度间隔误差
度盘上相邻两刻线之间的角距离称为间隔，实际间隔角度值
与理论间隔角度值
之差即为分度间隔误差（如图2.3所示），用fi表示。
分度间隔误
差的一般表达式为
分度间隔误差与零起分度误差的关系为
分度误差也具有圆周封闭性，即
2.3.3直径误差
为减小度盘圆分度误差对测量的影响，测角仪器或瞄准度盘对径位置上两刻线的平均位置读数，或在对径位置上安置两个读数显微镜取其读数的平均值作为测得值。
这时度盘的分度精度不再以单个刻线误差作指标，而以度盘对径位置上两刻线分度误差的平均值作指标，该平均值即为直径误差，用（fi）表示。
直径误差的一般表达式为
2.3.4零起分度误差
以零刻线的实际位置为基准，确定全部刻线的理论位置，可得的分度误差为零起分度误差。
因为在本设计中不需要对零，只要在测量被测物件时将被测物件放置在一个合适的位置，并此误差也是很小的，可以忽略不计。
3结构设计
3.1总体设计
随着科学技术的不断发展，对光电仪器的精度和性能也提出愈来愈高的要求。
现代光电仪器大多采用光、机、电、算等综合技术来完成高精度的测量任务，其中机械系统也是光电仪器不可缺少的组成部分，也是光电仪器的关键部件之一。
[6]因此，对于一个完整的光电仪器来说，只有上面所示的光电系统是不够的，其中需要用机械系统对其进行组装，同时还起着确定零部件之间相互位置的作用，以保证仪器的精度。
总之，对于光电仪器的总体设计来说光、机、电、算四部分是现代光电仪器设计的重要组成部分，缺一不可。
光学是进行光电仪器测量的前提；
机械结构则是整个仪器的基础;
电学是进行光电转换不可缺少的中间环节;
计算机部分则承担控制与处理数据，并输出显示结果。
可见，每一部分侧重点各不一样，但各部分作用都不能忽视，在设计时要加倍的小心论证设计。
同时，各部分也不可能独立完成测量任务，它们之间必须构成一个统一的整体，通过装配调试使其达到设计要求的所要达到的目标。
对本仪器而言，自准直仪包含光、机、电、算四个方面的容，剩余的结构而言，均只包含机械方面的元素。
根据支承件的作用特点，设计时要注意支撑件的刚性、热变形、稳定性、精度、抗震性以与结构、工艺性等问题。
现代化的光电仪器已由过去的单一模式向多元化、智能化方向发展，由接触式向非接触式测量向方向发展。
而光电技术可以在不改变被测物质的条件下进行测试，光电系统的最在优点是非接触测量。
光束通过被测物体在绝大多数情况下，不会改变其性质。
这是光电系统受到普遍重视的原因之一。
并且它的精度高，由于光电系统须用光作为信息载体，所以其测控精度容易达到高的精度，在测角时可精确到秒级。
设计任务分析：
本课题要求设计一个自准直仪瞄准方式的测角仪，因此自准直仪的选择就显的尤为重要，由设计原理可知，自准直仪垂直于光轴的反射镜反射回来的平行光束通过物镜仍在分划板上的原来位置成一实象这种现象，可以用来瞄准被测物件放置的是否合适。
自准直仪的优点是：
安装、使用方便、测量结果直观、准确等特点。
但是自准直仪本身只能用来进行小角度测量，而不能实现360°
全周角度测量，因此为了满足测量要求，就必须在结构设计上下功夫，通过在结构上的优化来完成全角度测量，比如在测量中先把被测件瞄准后，再将其
转动一个适当的角度作为初值，使其能够满足自准直仪小角度测量的角度围，然后用自准直仪测出这个小角度，这时再将这个小角度值与转动过的初值相结合即可得到被测物件的角度值。
对于度盘读数的要求，设计任务书中要求为对径读数的方式，这种读数方式的优点是虽然设计简单但却可以有效减少直径误差，实现这种读数方式是相当简单的，只要在指标线盘上刻划出一条指示线，在其相对的位置上再刻一条与之相对应的指示线即可，在读数时先读第一条指示线所指示的角度，再读第二条指示线所指示出的角度便方便的得到了分度盘所转过的角度。
仪器总装图如图3.1所示，其被设计为5个部件，包括：
1分度盘，2支承，3调整机构，4瞄准机构，5ELCOMATvario140/D40型自准直仪（外购）。
分度盘的主要作用为，为被测件提供一个载物台，并且为被测件的转动提供转动角度的平台，还要测量出转动的大角度的值，此为部件一的作用。
支承部件主要是为仪器提供支撑作用和底座的调平作用，还具有对瞄准部件的升降调节作用。
调整机构的设计的功能为瞄准机构提供水平方向的方向的调节。
瞄准机构设计的功能
图3.1仪器总装图
为自准直仪提供纵向方向的调节。
最后ELCOMATvario140/D40型自准直仪主要为仪器提供瞄准和小角度的精确测量。
装置的瞄准单元包括部件4瞄准机构和5ELCOMATvario140/D40型号自准直仪；
测量单元包括部件1分度盘和5ELCOMATvario140/D40型号自准直仪；
支承调整单元包括部件2支承。
3.2部件设计
3.2.1分度盘的设计
分度盘由于其功能的
升级会员 