天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室，天津 300072
为满足大尺寸测量仪器性能与制造水平提升的需求，基于非正交轴系架构理念对激光经纬仪进行设计。针对非正交轴系经纬仪在无参考末端情况下计算反向运动旋转角度的难题，提出反向运动线性模型，以实现旋转角度的快速、高精度计算。首先，基于李群李代数基本理论构建非正交轴系经纬仪正向运动学模型。其次，构建空间目标点与视准轴位姿参数间的约束关系，并结合旋转角度误差传递模型，确立用于求解旋转角度误差修正值的线性方程组。最终通过旋转角度初始估计值与误差修正值线性相加，获取高精度的反向旋转角度值。仿真结果表明，该方法所计算的旋转角度误差趋近于0，真实实验的旋转角度误差均小于0.02 mrad，验证了所提反向运动学线性模型的可行性与实用性。
光学仪器 非正交轴系 反向运动 线性模型 误差传递
1 长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
2 长春理工大学 机电工程学院，吉林 长春 130022
3 中国人民解放军陆军装备部驻沈阳地区军事代表局驻长春地区第一军事代表室，吉林 长春 130022
在激光通信和光电跟瞄系统中已经开始采用基于旋转光栅或光楔的指向-捕获-跟踪(Pointing, acquisition and tracking, PAT)机构对光轴进行角度调整，该结构质量轻、体积小，非常有利于系统的轻小型化。由于结构中两个旋转轴的平行度误差会严重影响PAT机构性能，因此在机械装配时需严格保证两轴平行度。针对旋转轴系轴线不易测量，传统测试方法精度不足，轴系晃动误差影响测量结果等问题，为了满足两轴平行度高精度检测的需求，文中提出基于自准直原理的旋转轴平行度测试方法，利用自准直光学特性，结合特殊设计的半反半透基准镜，采用数据拟合方法剔除轴系晃动的影响，得到旋转轴轴线空间位置，创新地实现了无需调整测试和被测设备即可在同一基准下测量两个平行轴系轴线角度和平行度。该方法只需一台测试设备，排除了传统多台测试设备联合测量时，基准传导与变换中的测量和变换误差，提高了测试精度和测试效率。首先，设计了基于自准直仪的测试系统，采用一台自准直仪测试两个轴系轴线空间位置，从而得到旋转轴同轴误差；然后，对测试结果不确定度进行了研究，分析了测试准确性及其影响因素；最后，采用该测试方法和测试系统，对某双液晶光栅跟瞄PAT机构的两轴平行度进行了测量，系统的实际测试表明两轴平行度测试误差小于10%，该方法可以有效地测量两个同轴旋转轴系的平行度，并且具有较高的测量精度和可信度。
PAT 平行度 数据拟合 不确定度 旋转轴系 PAT coaxiality data fitting uncertainty rotating shafting 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220794
1 天津工业大学 机械工程学院，天津 300387
2 天津市现代机电装备技术重点实验室，天津 300387
3 天津中德应用技术大学 机械工程学院，天津 300350
对测量激光雷达轴系动摩擦力矩数据波动较大、重复测量精度低等问题开展研究，将基于测试主轴控制系统构建的数据云与GA-BP算法进行融合，提出了激光雷达轴系摩擦力矩检测设备自更新控制算法。以测试主轴的实际转速、理想转速、转速误差和转速误差变化率构建数据云，使用密度及距离信息实现数据的添加和删除，通过GA-BP算法实现在线控制参数的整定。以激光雷达轴系摩擦力矩测量设备测试主轴和被测轴系为研究对象，通过仿真实验证明该方法与使用Z-N-PID算法的控制系统相比，提高了系统抗干扰性。通过激光雷达轴系动摩擦力矩检测设备进行摩擦力矩检测，实验结果表明，所提出的自更新控制算法相比于Z-N-PID算法平均过冲量降低了12.77%，稳定后数据标准差降低了5.00%~40.63%，重复测量误差降低了24.20%~71.66%。
激光雷达轴系 摩擦力矩 数据云 自更新控制算法 lidar shafting friction torque data cloud self-updating control algorithm 红外与激光工程
2022, 51(8): 20210591
1 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
基于角接触球轴承的小型经纬仪方位轴系设计往往参照相似模型进行估算和类比，该方法可提高设计效率，且设计轴系具备较好工程实施性，但这种基于经验的设计往往不是最佳设计，具有优化改进空间。针对某小型经纬仪的方位轴系，从方位轴倾斜误差修正角度出发，基于物理模型确定了轴系优化参数，利用有限元分析方法对轴承外压圈设计参数进行了优化，同时通过方位轴倾斜误差理论建模对轴承配合间隙设计参数值选择进行了分析，并在偏载吊装条件下对该小型经纬仪优化前后的二轴差进行检测。结果表明，优化前经纬仪二轴差约为20″，优化后经纬仪二轴差最大约为6″，优化后方位轴倾斜误差明显小于优化前，进而验证了所述优化方法的合理性和有效性。
光电经纬仪 方位轴系 有限元分析 轴系误差 photoelectric theodolite vertical shaft finite element analysis axis error 红外与激光工程
2021, 50(12): 20210172
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
激光发射二轴转台是以转台为主体，承载激光传输及发射功能的设备。转台要求在温度指标范围−40~55 ℃内具有良好的使用性能，为更好地了解环境温度对转台性能的影响，引出了激光发射二轴转台结构，并采用有限单元法对不同环境温度下转台静动态特性进行分析研究，由静力学分析后的转台变形量结果得到环境温度对轴系精度的影响。分析得到，以22 ℃转台性能参数为基准，在温度指标范围内，室温22 ℃时，转台静态特性与轴系精度最优，环境温度偏离22 ℃越远，静态特性与轴系精度越差。当温度每变化10 ℃，转台最大变形量变化约0.529 mm，最大应力值变化约18.418 MPa；方位轴系与俯仰轴系垂直度误差变化约4.715″，方位轴系与底座支撑面垂直度误差变化约4.649″；方位轴系晃动误差变化约0.22″，俯仰轴系晃动误差：(1)温度低于22 ℃，变化约0.33″；(2)温度高于22 ℃，变化约0.569″。转台前6阶模态频率随温度变化具有不同的规律，但频率变化率最大不超过2%。分析结果表明，环境温度对此类转台静态特性与轴系精度影响较大，但对动态特性影响较小，结论与工程经验基本吻合。
环境温度 二轴转台 静动态特性 轴系精度 ambient temperature two-axis turntable static and dynamic characteristics shafting accuracy 红外与激光工程
2021, 50(10): 20200481
1 吉林工程技术师范学院量子信息技术交叉学科研究院，吉林 长春 130052
2 吉林省量子信息技术工程实验室，吉林 长春 130052
3 长春理工大学电子信息工程学院，吉林 长春 130022
为了解决测角传感器精度和径向尺寸之间难以调和的矛盾，从辐通量和莫尔条纹的角度，详细推导和分析了端面光栅轴系误差和柱面光栅轴系误差，并建立了误差模型。基于轴系误差分析，设计了一款结合端面光栅和柱面光栅的立体光栅测角传感器，并搭建了立体光栅测角传感器实验系统。实验结果表明，当读数头呈均匀分布时，立体光栅测角传感器的误差为6.75"；当读数头呈非均匀分布时，立体光栅测角传感器的误差为4.33"。研究结果为轴系误差的抑制提供了新方法，为小型化、高精度测角传感器的研制提供了参考。
测量 测角传感器 轴系误差 角度测量 误差分析 圆光栅 激光与光电子学进展
2021, 58(23): 2312005
1 中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009
2 航空制导武器航空科技重点实验室，河南洛阳 471009
框架式稳定平台中的装调误差影响视线角速度的测量精度。给出了框架轴系偏差的数学描述，在此基础上研究了轴系偏差和陀螺敏感轴交叉耦合情况下三自由度框架式红外稳定平台对视线角速度的计算方法。并比较了这两类装调误差对视线角速度测量精度影响的大小。仿真结果表明，通过对装调误差补偿，视线角速度的测量精度可显著改善。所得结果对新型框架式稳定平台系统的误差指标分配具有重要的参考价值。
稳定平台 装调误差 框架轴系 视线角速度 stabilized platform, installation error, axis syst
光子学报
2020, 49(10): 1012001
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
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。
空间望远镜 在轨组装 二维精密转台 轴系精度 傅里叶谐波分析 space telescope on-orbit assembly two-dimensional precise turntable shafting error Fourier harmonic analysis
