[发明专利]抗径向跳动的合作目标激光转角及速率测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，可针对具有较大径向跳动的转动体进行高精度转角、角速度、角加速度测量，为大型机电转角系统实现高精度转动控制提供精确、快速的角度数据。

技术背景

转角测量传感器在机电系统中被广泛应用，尤其是大型机电转台中转轴的转角值获取、大型多维转台的运动控制等都离不开转角测量传感器。但目前机电转角系统中广泛应用的转角测量传感器，如光栅角编码器、感应同步角传感器、磁栅测角传感器等，由于存在动、静标尺之间间隙变化量受限、测量速度低等缺点，不能满足现代机电平台转角的高精度、快速测量要求，并已成为制约机电转角系统进一步提升其性能的主要影响因素之一，这种情况在大型机电转角系统中显得尤为突出。

对于机电转角系统，转动体需要根据指令要求进行快速方位转动，实现在转动或静止条件下精确转动定位。但是一些大型高速转动体的直径在2-3m左右，重达十余吨，需传动的动力大，传动机构间的啮合间隙也大，这就致使转动体的转动部分与非转动部分间的间隙变化接近毫米量级，而现有的光栅、磁栅、感应同步器等测角系统，因其测量原理所限，很难适应这种动、静标尺间隙变化大的状况，因而转动体的转角测量系统不得不安装在驱动电机端，转动体的转角数据也不得不经过多级传动机构传动，由安装在驱动端的测角传感系统感知，进而通过运算来解算出来。

由于转动体的体积大、传动动力大、传动环节多、传递间隙大、转角数据的测量链长，因而转角数据的传递误差大，其结果使机电控制模块测量的数据并不能真正反映转动体实际的方位转角信息，使转角测量精度远低于系统中其它模块，严重降低了机电控制模块的控制精度，制约了整个大型机电转角系统的整体性能。

将测角和测速系统直接安装在转动体的转动齿圈位置，来获取转角和转速早已被公认为最合理的设计方案，但其前提是首先应研制出具有抗转动体径向跳动的转角及转速测量传感器。事实上，抗转动体径向跳动的测角传感器技术，已成为制约大型机电转角系统进行高精度机电控制的技术瓶颈。

目前改善转角精度的技术途径有两种做法：一是提高传动系统精度，降低转角传递误差，但这不能从根本上解决问题；二是研究可以适应转动体径向跳动的可直接安放在转动体位置上的新原理转角及速率传感技术，从根本上提升机电转角系统的转角精度，降低传动系统的制造成本。

目前，国内提高具有较大径向跳动转动体的转角测量精度的途径，主要通过改善传动系统精度、减小传动环节来实现，但这不能解决根本问题，此类转角测量方法的精度只能达到10′左右，不符合新一代高精度转角系统的设计需求。

基于此，本发明提出一种抗转动体径向跳动的转角测量方法与装置，有效突破现有转动体的转角及转速精度因受多级传动机构精度影响而难以提高的技术瓶颈。

发明内容

本发明的第一个目的是为了解决径向跳动大的转动体无法进行高精度转角测量的问题，提出抗径向跳动的合作目标激光转角及速率测量方法，该方法以光栅作为合作目标，使用两束激光照射转动体上安装的光栅，利用沿转动体径向方向的两路光栅衍射光的多普勒频移效应对转动体径向跳动不敏感的特点，进而通过干涉检测技术实现高精度转角测量。

本发明的第二个目的是根据该测量方法提出抗径向跳动的合作目标激光转角及速率测量装置。该装置具有体积小、实时性高、测量稳定性好的特点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

抗径向跳动的合作目标激光转角及速率测量方法，具体实现步骤包括：

(a)测量前调整光路，使两束频差为f的准直激光同时照射转动体回转表面上光栅尺的同一区域，两束准直激光在光栅尺的表面发生衍射，其中一束准直激光的m级衍射光与另一束准直激光的n级衍射光互相重合，并沿转动体的径向方向出射进入会聚镜，经过会聚镜聚焦在光电传感器表面发生干涉，此时两束准直激光与光栅尺表面法线的夹角α需满足以下公式：

α=arcsinN·λd---(1)]]>

其中N为沿转动体的径向方向出射衍射光的级次、λ为入射准直激光的波长、d为光栅尺的栅距；