摘 要：电液伺服飞行模拟转台为复杂的、大型的专用仿真设备，在半实物仿真实验系统中， 为飞行器提供角姿态运动。在频繁、长时间使用的情况下，其技术状态可能产生变化，所以就需 要对飞行模拟转台的性能指标进行校准。由于飞行模拟转台工作环境的特殊性，需要研发一种新 的能够应用于转台的校准方法。本文建立一种新型的激光干涉测量系统，给出了该系统的组成和 原理，分析了测量过程中的误差来源和影响，说明了其在飞行模拟转台校准方面的应用。
关键词：飞行模拟转台；激光干涉测量系统；校准
中图分类号：TJ760.6+1；V216.8文献标识码：A文章编号：1673-5048（2014）06-0036-05
LaserInterferometerSystemUsedfortheCalibrationofFlightSimulator
MAJu1，CUIJianming2
（1.ScienceandTechnologyonSpecialSystemSimulationLaboratory，Beijing100854，China； 2.HarbinInstituteofTechnology，Harbin150080，China）
Abstract：Electrohydraulicservoflightsimulatorisacomplex，largescalespecialequipmentfor simulation.Itprovidesangularposturemovementforaircraftonhardwareintheloopsimulationsystem. Inthefrequentcaseofprolongeduse，thetechnicalstatusofflightsimulatormaybechanged，soitsper formanceindicatorsneedtocalibrate.Duetothespecialnatureofflightsimulatorenvironment，thedevel opmentofanewcalibrationmethodcanbeappliedtotheturntablecalibrationisnecessary.Inthispaper， anewtypeoflaserinterferometermeasurementsystemispresented，andthecompositionandprincipleof thissystemaregiven，thesourcesandinfluencesoferrorsinthemeasurementareanalyzed，andtheap plicationofsysteminflightsimulatorcalibrationareaisillustrated.
Keywords：flightfimulator；laserinterferometersystem；calibration
0 引 言
电液伺服飞行模拟转台为复杂的、大型的专 用仿真设备，在频繁、长时间使用的情况下，飞行 模拟转台的技术状态可能产生变化进而可能影响 对半实物仿真试验结果的判断[1-2]。原有的GJB性能实验方法———自准直仪校准不适用的原因 是[3]：用于屏蔽暗室中的转台安装在离地面数米 高的基台上，按程序遥控运行，人不可接近，而自 准直仪受到环境和距离限制，无法准确测量。同 时，转台的校准精度要求较高，国内尚无在这种测 试环境下对转台进行校准分析的有效方法，也未 查到国外相应的方法资料。
激光干涉测量系统是由干涉测量技术发展而 来的新型测量系统，目前已经广泛应用于数控机 床、加工中心、运动系统、研究与计量领域中，是 一项成熟且得到广泛应用的技术，但尚未见其应 用于飞行模拟转台中。考虑到激光干涉仪所具有的实时检测、远距离测量即可读数等优点，将其应 用于转台的校准分析中。
1 飞行模拟转台的性能指标简介
对飞行模拟转台而言，需要校准的性能指标 主要包括静态性能指标和动态性能指标。
静态性能指标具体包括角位置精度和角位置 重复性精度。角位置精度是指转台某个回转轴从 零位转到给定位置的实测值和给定值之差；角位 置重复性精度是指转台某个回转轴从任一位置到 某一给定位置的多次正反重复性精度。动态性能 指标具体包括最小角速度的平稳性、角速度精度 的校准、最大角速度和最大角加速度的校准，以及 频率响应特性指标的分析。
2 激光干涉测量系统测角原理
2.1 干涉测量技术简介
干涉测量技术是以光波干涉为基础的测量技 术。干涉测量中，干涉仪以干涉条纹反映被测件的 信息，其原理是将光分成两路，两支光路的光程差 Δ可用下式表示[4]：
若把被测件放入干涉仪的一支光路中，干涉 仪的光程差将随着被测件的位置与形状而改变， 干涉条纹也随之变化，测量出干涉条纹的变化量， 便可直接或间接获得与之有关的各种被测信息。 结合三角函数，将长度变化量转换为角度变化量， 进而实现飞行模拟转台的角度测量。
2.2 RENISHAW激光干涉测量系统测角原理
目前国外生产激光干涉仪的公司有美国的Ag ilent（前身为HP）、ZYGO、英国的Renishaw等公 司[5]。Renishaw激光干涉测量系统的性能指标如 表1所示。
该激光干涉测量系统主要由XL-80激光头、 XR20-W无线型回转轴校准装置、角度干涉镜组 成。其中，XL-80激光头内装有He-Ne激光器和相敏光电传感器，相敏光电传感器的作用是检 测干涉条纹的个数。XR20-W无线型回转轴校准 装置中装有如图1中所示的角度反射镜和角度干 涉镜。角度反射镜包含了两个小的反射器，其尖端 的间距为S；角度干涉镜内则包含有一个分光镜和 一个反射镜。激光干涉测量系统的测角原理如图1
所示[6-9]。
XL-80激光头的输出光束到达角度干涉镜 后，被角度干涉镜内的分光镜分成两束分离的光 束。光束1继续直射到角度反射镜下面的反射器形 成光路1，光束2经过分光镜，再经反射镜反射到 角度反射镜上面的反射器形成光路2。两束光到达 角度反射镜后都以平行于入射光的角度反射返回， 在XL-80激光头检测单元前重组，干涉产生测量 信号。
设被测轴的转角为θ，如图1所示。光束1从 角度干涉镜到角度反射镜的路程会减小，同时光 束2的路程增加，整个路径长度的相对变化为
激光干涉测量系统的软件再将此距离转换为 旋转角度θ，即
θ=arcsinΔL/S（8）
上述为激光干涉测量系统小角度测角原理。 大角度测量时，即转角超过5°后，角度反射镜通过 XR20-W无线型回转轴校准装置内的高精度光栅 系统进行伺服控制，使其相对于XR20-W无线型 回转轴校准装置反向旋转相同角度，以便角度反 射镜接收到足够光强，然后将反向旋转角度进行 累加，得到被测轴的旋转角度。转角超过5°后，如 果被测轴转速过快（超过10rpm），XR20-W无线 型回转轴校准装置内的伺服电机无法保证角度反射 镜及时反转过相同角度，就会产生误差。所以在转 台的旋转角度超过5°的情况下有一定的速度限制。
2.3 干涉条纹计数判向原理
激光干涉测量系统在对飞行模拟转台进行角度 测试过程中，由XL-80激光头内的相敏光电传感 器对干涉条纹进行计数。考虑到测量过程中外界干 扰，需要判向电路，将计数脉冲分为加和减两种，用 可逆计数器进行可逆计算以获得脉冲数据[10]。
图2所示为判向计数原理图[10]，干涉条纹通 过移相系统获得两路相差π/2的干涉条纹的光强 信号。该信号由两个光电接收器接收，便可以获得 与干涉信号相对应的两路相差π/2的正弦信号和 余弦信号，经放大、整形、倒相及微分等处理，可 以获得4个依次相差π/2的脉冲信号。根据4个 脉冲信号的相位顺序可以实现判向的目的。经过 判向电路后，将一个周期的干涉信号变成4个脉冲 的输出信号，使一个计数脉冲代表1/4干涉条纹的 变化，实现干涉条纹的4倍频计数。
3 激光干涉测量系统在飞行模拟转台校准 中的应用
3.1 Renishaw激光干涉测量系统在转台性能校 准中的使用
对转台进行测量时，例如对转台的内框轴进 行校准时，激光干涉测量系统各个元件摆放如图3 所示。XR20-W无线型回转轴校准装置应该安装 在转台各框待测轴轴端上。考虑到转台的工作环境要求，飞行模拟转台及XR20-W无线型回转轴 校准装置应放置在暗室中，XL-80型激光头和角 度干涉镜等需要安放在暗室外的测试空间内。为 了避免转台转动过程中振动的影响，把XL-80型 激光头放在光学气浮平台上的调节平台上。
飞行模拟转台校准最主要的性能指标包括静 态精度和动态精度。校准时，将XR20-W无线型 回转轴校准装置定位在转台轴系上（保证XR20- W与转台轴线重合）。调整调节平台，使激光从XL -80激光头发出后，经角度干涉镜准确落在XR20 -W无线型回转轴校准装置的角反射镜上。
在测量转台静态性能指标的过程中，在转台的 起始位置将激光装置置零后即可给定转台一个信 号，转台完成越程，到达给定位置后，系统可以结合 软件的读数，记录转台的位置误差，以此得到角位 置精度。给定转台信号，使转台从任意多个位置转 到同一个目标位置，分别记录位置误差，经过数据 处理后得到角重复性精度。测量静态精度的过程中， 激光干涉测量系统的测角精度为±1″，完全可以满 足对静态精度指标的测试及校准分析需求。
在测量转台动态性能指标时，激光干涉测量 系统实时测量转台转过的角度，由此可以做出转 台的角度—时间曲线，曲线每一点的一阶微分即 为转台在该时刻的速度，曲线每一点的二阶微分 即为转台在该时刻的加速度，将测量量与给定量 进行对比，完成速度和加速度的校准。在校准转台 的频率响应特性时，可以得到转台的给定位置曲 线和跟踪位置曲线，对给定位置曲线和跟踪位置 曲线进行辨识，可以得到控制系统的幅频特性与 相频特性波特图，从波特图中可以对转台的频率 响应特性进行校验。
但是，激光干涉测量系统在测量转台的动态 性能指标时是有局限性的。因为XR20-W无线型 回转轴校准装置内的伺服电机最高转速是10rpm， 也就是60（°）/s。因此若转台的旋转角度超过5°时有一定的速度限制，否则会因为XR20-W无线型 回转轴校准装置内的角反射镜无法反转相同角度 而产生误差。即飞行模拟转台转速小于60（°）/s 时，可以利用激光干涉测量系统完成飞行模拟转 台的动态性能指标的校准。如果需要校准更高速 的转台，则XR20-W无线型回转轴校准装置内部 需要更高速的伺服电机。
3.2 激光干涉仪对飞行模拟转台测量精度的分析
由上述激光干涉仪的测角原理可知，只有利 用反射镜随被测轴进行无摆动的理想转动而引起 的光程差所测出的角度才是真实的，而由其他因 素引起的光程差就是测量误差。通过分析可以知 道，校准过程中误差的产生主要有两个来源：①无 线型回转轴校准装置XR20-W的轴线与转台基准 轴线不重合，而是成一个角度α。②激光头的安装 误差，使测量过程中激光光束并不与地面平行，而 是成一个角度β。这两种情况如图4所示。
3.2.1 无线型回转轴校准装置轴线与转台基准轴 线不重合引起的误差分析
如果无线型回转轴校准装置XR20-W的轴线 与转台基准轴线不重合，而是成一个角度α，如图5 所示。随着被测轴的旋转，XR20-W将反向旋转相 同角度，这种运动致使角反射器出现摆动。如果从 激光方向看，反射器的运动将是：向前（位置1），向 右（位置2），向后（位置3）和向左（位置4）。
角度反射镜处于位置1，2，3，4时，其状态如 图6所示。其中，每个位置分别从激光方向和垂直 于激光方向给出示意图。
如果从激光方向看，从位置1→2→3→4可以 看出，如果转台转过的角度是θ，同时规定位置1 是转台的起始位置，即θ=0°。那么，旋转轴线与 基准轴线所成的偏航角度可以用αsinθ来表示。同 理，从垂直于激光方向的侧面看，俯仰角度可以用 αcosθ来表示。
分析4个位置中角度反射镜的状态：在位置1 和位置3，因为反射镜内的两个反射器是在同一高 度上，不会造成光束1和光束2路径长度的相对改 变（参考图1）。在位置2和位置4，反射镜是垂直 于激光的，此时光束1和光束2的路径长度也不会 发生相对改变。
但是，在中间位置会发生测量误差，此时反射镜 的状态由图7示出。转台顺时针旋转，若旋转到图7 （a）中A点位置，此时反射镜的状态如图7（b）所示。
由图7中存在的几何关系可以推导出此时无 线回转轴校准装置轴线的倾角误差所引起的转角
从图7（a）可以看出，转台转动角度为θ时， XR20-W应反向旋转角度θ，即保持反射镜与激 光光束垂直。但从图7（b）可以看出，XR20-W轴 线的轴线倾角误差造成A点反射镜右侧光路减少， 左侧光路增加。这种变化使反射镜旋转的角度为 θ′，且θ′<θ。
另外，将被测轴的旋转和XR20-W的旋转想 象成两个半径为1的圆盘的旋转。被测轴用曲线1 表示，XR20-W轴线用曲线2表示，两个圆盘从 侧面看夹角为α。如图8所示。
如果被测轴旋转0°，90°，180°或270°时，轴 的倾角误差不会造成测量误差。然而，被测轴旋转 其他角度，从激光方向看轴的旋转与XR20-W处 于同一直线时，此时会产生测量误差。
此式推导中多次用到的小角度弧度值约等于 正弦值，所以式中有关角度的单位均为弧度。可以 计算出，如果要使转角误差低于±1″，则无线回转 轴校准装置轴线的倾角误差α不应超过±0.2°， 此时满足测量要求。
3.2.2 激光光束不与基准面平行引起的测量误差 分析
在上述对旋转轴线倾角误差的探讨中，转台 转到位置2和位置4时没有转角误差。但是，如果 由于激光头的安装误差，造成光束不与基准面平 行而是倾斜一个角度，位置2和位置4此时将会存 在转角误差。此时，角度反射镜四个位置的状态如 图9所示。
在位置2时，转角误差取最大值αβ；位置4 时，转角误差取负值-αβ。因此，假设位置1为 θ=0°时，转台转动过程中的转角误差由文献[6] 给出：
φ=αβ·sinθ（13）
可以算出，如果要使转台的转角误差低于 ±1″，α=0.2°时，激光光束与水平面的倾角误差 也不应超过±0.08°，此时满足测量要求。
考虑上述两项误差来源可以得出结论：当无线 回转轴校准装置轴线的倾角误差α不超过±0.2°， 激光束与水平面的倾角误差不超过±0.08°的情况 下，激光干涉测量系统精度能保证在±1″，从而很 好地对飞行模拟转台进行校准。
4 结 束 语
飞行模拟转台已成为我国国防工业中重要的 模拟机械，如何更加准确、方便地对飞行模拟转台 进行校准成为一个必须攻克的难题，而国内用激 光校准转台的方法尚无成熟结论。本文所阐述的 激光干涉测量系统能够精确地测量转台的静态性 能指标，且测角精度为±1″，动态性能指标飞行模 拟转台转速小于60（°）/s时可以准确测量，且具 备较好的精度。如果需要校准更高速的转台，则 XR20-W无线型回转轴校准装置内部需要更高速 的伺服电机。
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