CN109813343B - 一种离心机初始对准误差的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种离心机初始对准误差的测量方法，属于惯性仪表测试技术领域。本发明中的离心机由一个主轴和三个工作台构成，首先利用经纬仪将离心机主轴轴线、工作台轴线、经纬仪视准轴轴线调整在同一铅垂平面内，通过主轴旋转90°计算出经纬仪中心距主轴轴线的距离，之后控制主轴和工作台旋转不同角度，通过经纬仪分别对准工装的两条棱线测量其水平角，最后通过最小二乘辨识出两条竖直棱线的水平坐标，计算出离心机初始对准误差。本发明能够准确和高效地测量离心机上安装加速度计工装的初始对准误差，从而保证加速度计测试时在离心机上的对准精度，无需进行反复测试调整和计算。

Description

一种离心机初始对准误差的测量方法

技术领域

本发明涉及一种离心机初始对准误差的测量方法，属于惯性仪表测试技术领域。

背景技术

惯性仪表是惯性导航系统中重要的组成部分，其中加速度计可以实时测量载体在运动空间内所受的加速度，其精度直接决定了最终导航的精度。因此对加速度计开展大量程、高动态的测试，用来模拟真实使用环境十分必要。精密离心机可以产生远高于重力场的加速度，能够真实测试加速度计在高过载环境下的性能，有效的激励加速度计的非线性误差项，提高加速度计的标定精度。

离心机主要由主轴提供匀角速度ω，当加速度计敏感中心到主轴回转轴线的距离为R，加速度计的输入轴指向并垂直离心机的主轴回转轴线时，离心机可以为加速度计提供Rω²的向心加速度输入。显然，当加速度计的输入轴不能准确指向并垂直回转轴线，即出现对准误差时，加速度计的实际输入将偏离标称输入Rω²，将影响加速度计的测试和标定精度，最终也将影响导航精度，因此准确测量对准误差并进行补偿显得至关重要。对准误差包括离心机的初始对准误差和加速度计的安装对准误差，其中最主要的误差是包含工作台零位误差和工装安装误差，常规的对准误差测试方法通常利用加速度计在离心机上的测试来间接计算失准误差。但利用加速度计本身误差模型计算对准误差的精度，不仅受到加速度计本身精度影响，还需要进行多次测量和反复验算调整，测试精度与效率都较低，所以针对离心机设计新的高效的初始对准误差测量方法极为重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种离心机初始对准误差的测量方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种离心机初始对准误差的测量方法，所述离心机包括一个主轴和A、B、C三个可以以准确角位置回转的工作台，在加速度计测试时，首先将工装安装在工作台上，理想情况下，加速度计安装在工装后，其输入轴指向并垂直离心机主轴的回转轴线，此时加速度计的输入轴与主轴轴线垂直并在同一平面内；以工作台A为例，包括以下步骤：

步骤一：经纬仪的三轴包括竖直轴、俯仰轴和视准轴，三轴交汇中心距主轴轴线的距离测量：

1)将靶标放在主轴轴端，主轴分别旋转0°，90°，180°，270°，用经纬仪对准靶标，测量经纬仪的水平角，求取其平均值α₀，此均值表示经纬仪对准主轴轴线的水平角；

2)旋转并调整主轴，将主轴轴线、A轴轴线、经纬仪视准轴轴线调整在同一铅垂平面内，记录此时主轴的角位置，设定此时主轴角位置为0°，然后主轴准确旋转至90°，再旋转工作台A轴分别至0°，90°，180°，270°，用经纬仪对准工作台A轴轴端的靶标，测量经纬仪的水平角，求取其平均值α_A；

3)假设当离心机主轴与工作台A回转轴线之间的距离为R_A时，也就是工作台A的工作半径，可以用其它方法准确测量，计算出经纬仪的交汇中心距主轴轴线的距离L，L＝R_Acot(α_A-α₀)；

步骤二：工装棱线的水平位移测试：

1)将工装安装在A台上，控制主轴和A台分别旋转至不同角位置α_i和β_i(i＝1,2,……,n)，令经纬仪分别对准工装的棱A₁和A₂，可分别测量出两条棱的水平角，计算出其与α₀的差值

和

当经纬仪相对棱A₁的水平位移为x_i和y_i时，根据经纬仪的测试原理，可得

2)当棱A₁相对于工作台A回转中心的水平位移x_A1和y_A1时，由几何关系可得出：

x_i＝R_Asinα_i+x_A1cos(α_i+β_i)-y_A1sin(α_i+β_i)

y_i＝L-R_Acosα_i+x_A1sin(α_i+β_i)+y_A1cos(α_i+β_i)

当主轴旋转至0°，A台处于0°位置时，棱A₁的水平坐标为

x₁＝x_A1，y₁＝y_A1+L-R_A

当主轴旋转至90°，A台处于270°位置时，棱A₁的水平坐标为

x₂＝R_A+x_A1，y₂＝L+y_A1

当主轴旋转至90°，A台处于180°位置时，棱A₁的水平坐标为

x₃＝R_A+y_A1，y₃＝L-x_A1

当主轴旋转至180°，A台处于180°位置时，棱A₁的水平坐标为

x₄＝x_A1，y₄＝L+R_A+x_A1

当主轴旋转至270°，A台处于90°位置时，棱A₁的水平坐标为

x₅＝-R_A+x_A1，y₅＝L+y_A1

当主轴旋转至270°，A台处于180°位置时，棱A₁的水平坐标为

x₆＝-R_A-y_A1，y₆＝L+x_A1

联立整理成矩阵形式得

写成矩阵形式：

L＝ΦK

利用最小二乘法，得到x_A1，y_A1：

同理可得棱A₂相对于工作台A回转中心的水平位移为x_A2，y_A2；

步骤三：离心机初始对准误差的测试：

根据计算出的x_A1，y_A1，x_A2和y_A2，A台的初始对准误差θ_A为

同理，令经纬仪分别对准B、C工作台台上工装的两条棱线，同样的方法可以测量出对准误差，至此完成离心机初始对准误差的测量。

本发明的有益效果为：

本发明提出的一种离心机初始对准误差的测量方法，对比常用的利用加速度计计算对准误差的方法，克服了利用加速度计计算对准误差存在的低精度和低效率问题。

本发明可以通过离心机、工装和经纬仪的几何关系直接精确地高效地测量出离心机上加速度计工装的初始对准误差，从而保证加速度计测试时在离心机上的对准精度。同时，对比反复测试调整加速度计在离心机上测试的对准误差，本发明提出的方法能够通过单次安装完成离心机的初始对准误差测量，极大提高了测量的效率。

附图说明

图1为离心机结构示意图。

图2为加速度计工装结构示意图。

图3为离心机初始对准误差测试示意图。

图4为经纬仪示意图。

图5为靶标示意图

图中的附图标记，1为离心机基座，2为离心机主轴，3为延长轴端，4为工作台A，5为工作台B，6为工作台C，7为加速度计工装，8为棱A1，9为棱A2，10为经纬仪。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示，离心机由离心机主轴2和三个工作台即工作台A4、工作台B5和工作台C6组成，离心机主轴2设置在离心机基座1上。离心机主轴2支撑的台面上设置有工作台A4、工作台B5和工作台C6，离心机主轴2的延长轴端3伸出台面，工作台A4上安装有加速度计工装7。

如图2所示，设定在工作台A4上的加速度计工装7的侧面外边框的两条棱线分别为棱A₁8和棱A₂9。

如图3所示，将靶标放置在延长轴端3，架设经纬仪10观测靶标，旋转离心机主轴2，可测量出经纬仪对准主轴轴线和对准工作台回转轴线的水平角α₀，调整主轴角度使主轴轴线、A轴轴线、经纬仪视准轴轴线在同一铅垂平面内，将靶标放置在工作台A4回转轴线上，经纬仪对准观测靶标，可测出经纬仪对准工作台A4回转轴线的水平角α_A，即可测出经纬仪的交汇中心距主轴轴线的距离L。之后安装加速度计工装7，控制主轴和A台分别旋转至不同角位置，用经纬仪10分别对准加速度计工装7上的棱A₁8和棱A₂9，记录经纬仪10的水平角，计算其与α₀的差值

和

通过最小二乘法将两条棱线相对于工作台A4回转中心的水平位移求出，最后根据公式

计算出工作台A4的初始对准误差θ_A。

如图4所示，为经纬仪10，如图5所示为靶标，其中靶标中心安装有铜细丝，通过经纬仪10对准观测靶标中的细丝，可将轴线准确引出。

实施例1：

结合图1、图2、图3、图4和图5；离心机主要由一个主轴和三个工作台构成，应保证在安装加速度计后，加速度计的输入轴指向离心机主轴的回转中心，即与离心机工作半径的方向一致，为了准确测量包括工作台零位误差和工装失准角在内的离心机初始对准误差。本发明所述的一种离心机初始对准误差的测量方法，步骤如下：

步骤一：经纬仪的交汇中心距主轴轴线的距离测量：

1)将靶标放在主轴轴端，主轴旋转至0°，90°，180°，270°，用经纬仪对准靶标，测量经纬仪的水平角，求取平均值α₀＝39°16′50″，此均值表示经纬仪对准主轴轴线的水平角，

2)旋转并调整主轴角位置，将主轴轴线、A轴轴线(即工作台A的轴线)、经纬仪视准轴轴线调整在同一铅垂平面内，记录此时主轴的角位置，然后主轴在此基础上旋转90°，用经纬仪对准工作台A轴轴端的靶标，工作台A旋转0°，90°，180°，270°，测量经纬仪的水平角，求取平均值α_A＝21°33′26″，

3)当离心机主轴与工作台A回转轴线之间的距离为R_A时，计算出经纬仪的交汇中心距主轴轴线的距离L，当R_A＝499.919mm时，L＝R_Acot(α_A-α₀)＝1265.469mm。

步骤二：工装棱线的水平位移测试：

1)将工装安装在A台上，控制主轴和A台分别旋转至不同角位置α_i和β_i(i＝1,2,……,n)，令经纬仪分别对准工装的棱A₁和A₂，可分别测量出两条棱的水平角，计算出其与α₀的差值

和

测量结果如表1所示。

表1经纬仪对准A台夹具两棱水平角

当经纬仪相对棱A₁的水平位移为x_i和y_i时，根据经纬仪的测试原理，可得

2)当棱A₁相对于工作台A回转中心的水平位移x_A1和y_A1时，由几何关系可得出：

x_i＝R_Asinα_i+x_A1cos(α_i+β_i)-y_A1sin(α_i+β_i)

y_i＝L-R_Acosα_i+x_A1sin(α_i+β_i)+y_A1cos(α_i+β_i)

联立整理成矩阵形式得

写成矩阵形式：

L＝ΦK

利用最小二乘法：

计算得到x_A1＝-59.1429mm，y_A1＝-53.6896mm。

同理可得x_A2＝60.8355mm，y_A2＝-50.7616mm。

步骤三：离心机初始对准误差的测试：

根据计算出的x_A1，y_A1，x_A2和y_A2，A台的初始对准误差θ_A为

同理，令经纬仪分别对准B、C工作台台上工装的两条棱线，同样的方法可以测量出对准误差θ_B＝3.7706°,θ_C＝0.9360°。至此完成离心机初始对准误差的测量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种离心机初始对准误差的测量方法，所述离心机包括一个主轴和A、B、C三个可以以准确角位置回转的工作台，其特征在于，在加速度计测试时，首先将工装安装在工作台上，理想情况下，加速度计安装在工装后，其输入轴指向并垂直离心机主轴的回转轴线，此时加速度计的输入轴与主轴轴线垂直并在同一平面内；对于工作台A，所述测量方法包括以下步骤：

步骤一：经纬仪的三轴包括竖直轴、俯仰轴和视准轴，三轴交汇中心距主轴轴线的距离测量：

1)将靶标放在主轴轴端，主轴分别旋转0°，90°，180°，270°，用经纬仪对准靶标，测量经纬仪的水平角，求取其平均值α₀，此均值表示经纬仪对准主轴轴线的水平角；

2)旋转并调整主轴，将主轴轴线、A轴轴线、经纬仪视准轴轴线调整在同一铅垂平面内，记录此时主轴的角位置，设定此时主轴角位置为0°，然后主轴准确旋转至90°，再旋转A轴轴线分别至0°，90°，180°，270°，用经纬仪对准工作台A轴轴端的靶标，测量经纬仪的水平角，求取其平均值α_A；所述A轴轴线为所述工作台A的轴线；

3)离心机主轴与A轴轴线之间的距离为R_A，也就是工作台A的工作半径，可以准确测量，计算出经纬仪的交汇中心距主轴轴线的距离L，L＝R_Acot(α_A-α₀)；

步骤二：工装棱线的水平位移测试：

1)将工装安装在工作台A上，控制主轴和工作台A分别旋转至不同角位置α_i和β_i，i＝1,2,……,n，令经纬仪分别对准工装的侧面外边框的棱A₁和A₂，分别测量出两条棱的水平角，计算出其与α₀的差值

和

当经纬仪相对棱A₁的水平位移为x_i和y_i时，根据经纬仪的测试原理，得

2)当棱A₁相对于工作台A回转中心的水平位移为x_A1和y_A1时，由几何关系得出：

x_i＝R_Asinα_i+x_A1cos(α_i+β_i)-y_A1sin(α_i+β_i)

y_i＝L-R_Acosα_i+x_A1sin(α_i+β_i)+y_A1cos(α_i+β_i)

当主轴旋转至0°，工作台A处于0°位置时，棱A₁的水平坐标为

x₁＝x_A1，y₁＝y_A1+L-R_A

当主轴旋转至90°，工作台A处于270°位置时，棱A₁的水平坐标为

x₂＝R_A+x_A1，y₂＝L+y_A1

当主轴旋转至90°，工作台A处于180°位置时，棱A₁的水平坐标为

x₃＝R_A+y_A1，y₃＝L-x_A1

当主轴旋转至180°，工作台A处于180°位置时，棱A₁的水平坐标为

x₄＝x_A1，y₄＝L+R_A+x_A1

当主轴旋转至270°，工作台A处于90°位置时，棱A₁的水平坐标为

x₅＝-R_A+x_A1，y₅＝L+y_A1

当主轴旋转至270°，工作台A处于180°位置时，棱A₁的水平坐标为

x₆＝-R_A-y_A1，y₆＝L+x_A1

联立整理成矩阵形式得

写成矩阵形式：

L＝ΦK

利用最小二乘法，得到x_A1，y_A1：

同理得棱A₂相对于工作台A回转中心的水平位移为x_A2，y_A2；

步骤三：离心机初始对准误差的测试：

根据计算出的x_A1，y_A1，x_A2和y_A2，工作台A的初始对准误差θ_A为

同理，令经纬仪分别对准B、C工作台台上工装的两条棱线，同样的方法测量出对准误差，至此完成离心机初始对准误差的测量。

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