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新一代线角度基准装置的研制

黄垚 薛梓 吴金杰 车双良

黄垚,薛梓,吴金杰,等. 新一代线角度基准装置的研制[J]. 计量科学与技术,2024, 68(2): 3-9 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0299
引用本文: 黄垚,薛梓,吴金杰,等. 新一代线角度基准装置的研制[J]. 计量科学与技术,2024, 68(2): 3-9 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0299
HUANG Yao, XUE Zi, WU Jinjie, CHE Shuangliang. The Development of New Primary Standard for Positional Angles[J]. Metrology Science and Technology, 2024, 68(2): 3-9. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0299
Citation: HUANG Yao, XUE Zi, WU Jinjie, CHE Shuangliang. The Development of New Primary Standard for Positional Angles[J]. Metrology Science and Technology, 2024, 68(2): 3-9. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0299

新一代线角度基准装置的研制

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0299
基金项目: 国家自然科学基金(51935004)。
详细信息
    作者简介:

    黄垚(1982-),中国计量科学研究院高级工程师,研究方向:角度计量专业,邮箱: huangyao@nim.ac.cn

  • 中图分类号: TB922

The Development of New Primary Standard for Positional Angles

  • 摘要: 面向数控机床回转定位、航空航天器飞行姿态调控及测绘仪器空间定向领域,针对相关装备角度测量圆分度核心器件的量值传递需求,参照国家平面角计量器具检定系统要求,中国计量科学研究院研制并建立了新一代线角度基准装置。该装置通过超精密精密回转角定位、自校准扫描干涉式圆光栅测量、全圆连续补偿等一系列关键技术,实现了整分角度、细分角度一体化测量,及静态测量、扫描测量多种测量功能,测量范围达到b,采样步长优于0.01″,测量不确定度达到U=0.03″ (k=2),为圆分度角度测量仪器提供了全圆连续的量值溯源平台。
  • 图  1  测量原理

    Figure  1.  Measuring principle

    图  2  总体结构

    注:1 – 工作台面;2 – 主轴;3 – 保护壳;4 – 止推轴承气浮面;5 – 径向轴承气浮面;6 – 基座;7 – 光栅盘;8 – 读数头;9 – 驱动单元安装座;10 –压电电机;11 – 陶瓷环。

    Figure  2.  Overall structure

    图  3  线角度基准装置实物图

    Figure  3.  A general view of the primary standard for positional angles

    图  4  真空预载静压支撑轴系

    注:1 – 真空抽气;2 – 高压气体;3 –气浮支撑工作面;4 –支撑平台工作面。

    Figure  4.  The vacuum preload air bearing system

    图  5  轴系径向跳动曲线

    Figure  5.  The radial run-out curve of the bearing system

    图  6  压电电机

    Figure  6.  The distribution of ultrasonic motors

    图  7  实测最小定位步长

    Figure  7.  The minimal positioning step measured

    图  8  细分误差曲线

    Figure  8.  The interpolation error curve

    图  9  4读数头等分布局

    Figure  9.  The equal distribution of 4 reading heads

    图  10  装置残余偏差曲线

    Figure  10.  The residual deviation curve of the device

    图  11  装置残余偏差傅里叶级数成分

    Figure  11.  The Fourier components of residual deviation

    图  12  装置0阶~18阶残余偏差曲线

    Figure  12.  The 0th to 18th-order deviation curve

    图  13  全圆连续补偿函数重构误差曲线与原误差曲线对比图

    Figure  13.  Comparison between the reconstructed deviation curve and the original deviation curve

    图  14  全圆连续补偿函数重构误差曲线与线性差分曲线细节对比

    Figure  14.  Detailed comparison between the reconstructed deviation curve and the linear fitting deviation curve

    图  15  激光小角度基准装置和线角度基准装置对自准直仪校准结果偏差绝对值

    Figure  15.  The absolute deviation in autocollimator calibration results between the primary standard for small angles and the primary standard for positional angles

    图  16  多齿分度台基准装置和线角度基准装置对正多面棱体校准结果偏差绝对值

    Figure  16.  The absolute deviation in polygon calibration results between the primary standard for index tables and the primary standard for positional angles

    图  17  线角度基准装置量值传递框图

    Figure  17.  The quantity dissemination diagram of the primary standard for poitional angles

    图  18  线角度基准装置高分辨力校准结果

    Figure  18.  High-resolution calibration results of the primary standard for positional angles

    表  1  轴系技术指标

    Table  1.   Specifications of the bearing system

    项目指标
    1总体尺寸360 mm×360 mm×200 mm
    2整机重量130 kg
    3台面回转直径320 mm
    4承载能力20~50 kg
    5最大转速6 rpm
    6径向跳动50 nm
    7轴向跳动50 nm
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    表  2  Comp测量不确定度分量表

    Table  2.   The uncertainty components of Comp

    序号 来源 来源特征 符号
    1 未分离的谐波分量引入的测量不确定度(>18阶且满足4×j阶,j=1,2,3,…) 4读数头等分平均和谐波补偿函数不包含的谐波成分引入的测量不确定度 L
    2 轴系不封闭引入测量不确定度(轴系随机跳动和摆动) 不满足误差谐波分离理论要求引入的测量不确定度 P
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    表  3  测量不确定度概算表

    Table  3.   The budget of the measurement uncertainty

    序号 来源 标准测量不确定 灵敏系数
    1 u(Md1) 0.020″ 1/4
    2 u(Md2) 0.022″ 1/4
    3 u(Md3) 0.022″ 1/4
    4 u(Md4) 0.022″ 1/4
    5 u(L) 0.006″ 1
    6 u(J) 0.009″ 1
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    表  4  平面角度基准装置计量性能

    Table  4.   Specifications of the primary standard for plane angle

    名称 测量范围 测量不确定度
    激光小角度基准装置 −3°~+3° Us=0.03″,k=2
    −5°~+5° Us=0.05″,k=3
    多齿分度台基准装置 0~360° Ui=0.05″,k=3
    线角度基准装置 0~360° Up=0.03″,k=2
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-11-21
  • 录用日期:  2023-12-19
  • 修回日期:  2024-01-15
  • 网络出版日期:  2024-01-22
  • 刊出日期:  2024-02-18

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