在轨组装望远镜的光学检测系统主要包括子镜拼接精度检测系统和系统波像差检测系统, 这两种检测系统共用一组Φ300 mm平面反射镜, 为了实现平面反射镜的精密切换, 研制了一套基于通用P2级精密轴承的二维转台。首先, 对轴系进行了结构设计并详细说明了装配工艺; 然后, 构建了理论计算模型对所设计轴系精度进行了定量分析。结果表明, 俯仰轴系最大晃动误差为2.36″(PV), 方位轴系最大晃动误差为0.56″(PV)。最后, 利用傅里叶谐波分析方法对俯仰轴系、方位轴系进行了精度检测, 检测结果表明, 俯仰轴系最大晃动误差为2.5″(PV), 方位轴系最大晃动误差为0.6″(PV)。利用对径相加读数法对两轴垂直度进行了检测, 检测结果表明, 两轴垂直度误差为1.5″。测试结果验证了结构设计和理论计算模型的合理性。

为了提高超精密角度计量转台的测量精度, 对转台所用编码器分度误差与细分误差的校准展开研究。首先, 介绍了转台的结构, 设计了方便进行相互比对的双角度编码器测角系统并描述了其多读数头布置方式。然后, 基于直接比较法与自校准法进行了双编码器分度误差的快速、高精度校准。最后, 借助精密电容式位移传感器测量系统, 利用比较法检测了两套编码器各读数头的单信号周期测量误差。校准结果显示: 采用双读数头均布的第一套编码器的分度误差为±0.27″, 细分误差在±0.1″以内; 基于四读数头均布方式进行测量的第二套编码器分度误差为±0.17″, 细分误差在±0.2″以内; 两套编码器的测量精度皆为亚角秒级。双编码器相互比对的校准方式有助于对转台的测角误差进行全面、准确地评估。

为提升精密转台的轨迹运动精度, 本文从轨迹规划和运动控制两个方面对传统控制算法进行了改进。轨迹规划方面, 推导了S曲线轨迹规划方程, 并结合转台动力学约束条件给出了轨迹规划参数的取值方法, 从而为运动控制算法提供了满足动力学要求的轨迹指令; 运动控制方面, 在传统双闭环反馈控制基础上增加了DOB扰动补偿和前馈补偿, 以此改善转台的伺服性能, 提升转台的运动精度。在详细说明了轨迹规划算法和运动控制算法的设计过程后, 对两部分算法进行综合, 给出了具体实现步骤, 并以谐波转台和RV转台为实验对象进行了多组算法性能测试。实验结果表明: 相比于传统控制方法, 采用本文提出的方法能够使转台动态精度提升99.6%, 稳态精度提升99.75%, 从而证实了该算法对运动精度提升的有效性。

为了修正精密转台中由圆光栅安装偏心、倾斜等引起的角分度误差，提出一种基于稀疏分解的角分度误差补偿方法。首先，分析了圆光栅安装偏心、倾斜等对精密转台角分度误差的影响。然后，根据圆光栅测角误差中不同阶次误差项的特性，结合稀疏分解思想与谐波分析建立了角分度误差补偿模型，对转台的角分度误差进行补偿。最后，搭建试验平台，采用提出的角分度误差补偿模型对精密转台角分度误差进行修正，验证该方法的有效性。试验结果表明: 该方法能够将角分度精度提高2个数量级，对角分度误差最大值为90.85"的转台进行误差补偿后，能够使角定位误差的最大值减小到0.64"。采用该方法进行误差补偿后，能够显著提高角度定位精度，结果满足精密转台角位移的高精度测试要求。

针对目前星敏感器安装误差标定过程中存在的标定模型复杂标定测试流程繁琐等问题, 提出了一种星敏感器安装误差的三位置法地面标定方法。该方法根据坐标系的欧拉变换, 构建了星敏感器安装误差的数学模型; 根据误差模型, 提出了基于三轴精密转台的安装误差三位置法地面标定策略。采用最小二乘法和三位置法进行仿真对比实验, 结果表明, 安装误差的三位置法标定结果比最小二乘法标定结果的稳定性提高了近10倍。三位置法还具有标定测试流程简单等优点, 对提高星敏感器的使用精度具有重要参考价值。

针对轻**红外光学瞄具稳定性检测的需求,设计了一种基于牛顿反射式红外系统进行工作的电动二维精密转台。利用CATIA建立了电动二维精密转台的三维模型,该二维精密转台采用小型二维U形转台结构形式,采用直流力矩伺服电机直接驱动和24位绝对式轴角编码器进行角度测量。通过有限元分析软件PATRAN对转台的关键部件进行热力学分析与模态分析,获取转台的应力分布云图。云图结果表明,其设计方案可行,结构合理。

为了实现大直径窄环带平面平面度的精确测量, 提出一种利用内调焦光管结合精密转台的基于光学及图像处理的新方法。首先利用内调焦光管把光纤点光源成像在被测圆环上方, 精密转台带动点光源的像点旋转在空间画圆, 以此圆所在的平面为基准, 用 CCD探测器接收点光源像点, 根据脱靶量测出被测点与基准平面的距离, 然后把测量数据展开成傅里叶级数进行谐波分析, 去除常数项及一次项对测量结果的影响, 通过数据处理计算即可得到被测环面的平面度。对该方法的基本测量原理进行了研究分析, 并结合实例对一外径 5 m、内径 4.4 m、高0.5 m的圆环零件进行平面度的测量, 测得其平面度为 0.285 mm, 重复性为 0.009 3 mm。最后对该方法的测量不确定度进行了分析, 其合成标准不确定度为 0.007 4 mm。

针对用于标定和检测的大型精密转台(要求其定位误差≤±0.5″)，研制了高精度角度微驱动装置。介绍了转台的总体结构，给出了角度微驱动装置的驱动原理和构成。该角度微驱动装置主要通过一个角位移转换机构把精密直线位移转化为精密角位移来实现高的角度分辨率，其在驱动转台旋转的过程中几乎不给转台带来轴向力和径向力，因此不影响转台的轴系精度。为了满足定位要求，转台设计采用了粗精结合、二次定位的方法，即先采用力矩电机进行粗定位，然后使用角度微驱动装置来实现精定位。最后，从理论上计算了角度微驱动装置的分辨率并进行了测试和应用验证，证明此角度微驱动装置的分辨率优于0.08″,满足转台定位精度要求。

针对光纤陀螺惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)的误差系数随时间推移而变化的问题,本文提出一种光纤陀螺IMU的六位置旋转现场高精度标定新方法,该方法在使用现场将光纤陀螺IMU在六个位置上进行十二次旋转,然后根据光纤陀螺IMU的误差模型建立42个非线性输入输出方程,通过旋转积分和对称位置误差相消,消除方程中的非线性项,最终求解出陀螺标度因数、陀螺常值漂移、陀螺安装误差和加速度计常值偏置等15个误差系数。实验结果表明,该方法可在没有精密转台的现场实现光纤陀螺IMU的精确标定,其标定精度与基于精密转台的标定精度相当。