本文關鍵詞：絕對式單碼道線位移光柵傳感器原理與實現(xiàn)　出處：《長春理工大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：位移精密測量技術是工業(yè)4.0發(fā)展的必要條件,位移精密測量體現(xiàn)了一個國家的工業(yè)綜合實力和技術水平,數(shù)控制造業(yè)、航空航天與軍工裝備和高科技領域的發(fā)展等都取決于位移精密測量技術的發(fā)展水平。在現(xiàn)有的精密位移測量手段中,光學測量以其精度高、測量范圍廣、分辨率高、可靠性高等優(yōu)勢捍衛(wèi)著主導地位,其中光柵計量傳感器應用最為廣泛。然而,由于我國對光柵傳感器的研究技術水平還有待提高,高精度、高可靠性的光柵傳感器依賴進口。因此,研制出高精度、高可靠性的絕對式光柵傳感器勢在必行。隨著高端制造業(yè)的迅猛發(fā)展,對數(shù)控加工技術水平也提出了越來越高的要求。而對線位移的精密定位和閉環(huán)控制,也正逐漸地從增量式光柵傳感器向絕對式光柵傳感器方式轉變。但是,目前我國還不具備生產(chǎn)適用于數(shù)控系統(tǒng)閉環(huán)需求的絕對式光柵傳感器的能力。因此,開展絕對式單碼道光柵傳感器的測量相關技術研究具有重要意義。本論文在參考國內外技術文獻的基礎上,研究了絕對式光柵尺的工作原理,提出了研制方案;深入研究了絕對位置編碼機制、碼道譯碼、校正原理仿真模型和影響光柵信號質量的因素,并完成了絕對式光柵尺精度分析及誤差修正。主要的研究內容和創(chuàng)新點如下:分析現(xiàn)有絕對式光柵尺編碼方式。將光刻工藝難度、刻劃效率作為編碼模型的邊界條件,闡述了絕對編碼單值函數(shù)的特點,并針對該特點建立了編碼值間邏輯關系的數(shù)學模型。在此基礎上,依據(jù)數(shù)學模型運用二叉樹、回溯等搜索算法展開了編碼的研究工作。研究結果表明該方法在原理上可行,但在實際操作中,存在運算量大,海量存儲數(shù)據(jù)等致命缺點。本文創(chuàng)新性地提出了基于DBCS控制理論的絕對編碼機制,該編碼機制以刻劃工藝難度、刻劃效率以及讀取效率為權值,以權值作為自變量的評價閾值函數(shù),優(yōu)化編碼序列,得到權值最大(降低工藝難度、提高刻劃效率)的絕對編碼序列。對于中小量程的絕對式光柵尺,本文本著相關技術成熟、處理方法簡單等特點,創(chuàng)新性的提出了矩陣碼與偽隨機碼相結合的編碼機理,并開展下列研究:分析了矩陣碼道與精碼道邏輯關系,建立滿足讀數(shù)頭尺寸要求的矩陣碼道,依據(jù)矩陣碼道邏輯關系模型,建立偽隨機碼的優(yōu)選機制(刻劃工藝簡單、刻劃效率高)編碼模型。針對上述兩種絕對式光柵尺的編碼機制,開展了編碼原理的仿真。1)分析了基于DBCS控制理論的絕對編碼機制,建立了非線性關系的單值編碼函數(shù)的譯碼模型。以實際光柵刻劃精度、安裝不平行誤差等為邊界條件,創(chuàng)新性地建立了一種基于接收光電器件像素點邏輯關系的校正模型。并開展了相應的碼道位置誤差修正模型的研究與驗證工作,實現(xiàn)了±1/4絕對碼道周期的大范圍位置誤差校正。2)分析了基于矩陣碼與偽隨機碼結合算法的絕對編碼機制,依據(jù)矩陣碼譯碼及偽隨機碼譯碼原理,建立了譯碼及校正模型,并對校正模型進行了仿真驗證,實現(xiàn)了±1/4精碼道周期范圍的位置誤差校正。分析了光源光強分布函數(shù),并針對光強分布特點開展了基于毛玻璃“勻光”特性的理論分析、模擬仿真和試驗驗證,試驗結果表明旋轉的毛玻璃產(chǎn)生勻光效果。對增量碼道光柵副方程進行了理論分析,確立了以波長、柵距為參數(shù)的最佳焦面求解模型,并依據(jù)焦深公式推導出主光柵與指示光柵間隙允差范圍。研究了影響莫爾條紋質量的各種因素,分析了各因素給測量結果帶來的影響,提出了一種實現(xiàn)提高莫爾條紋質量的處理方法。研究了光柵尺測量精度的影響因素,并對其做定性和定量分析。運用激光雙頻干涉儀、激光自準直儀等輔助設備,對誤差標定過程中產(chǎn)生的阿貝誤差進行補償,運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡BP優(yōu)化算法對絕對誤差進行修正,建立了光柵尺誤差修正數(shù)學模型,實現(xiàn)了光柵尺測量修正誤差小于0.1μm。綜上所述,本文在對絕對式光柵尺編碼機制構建方法的深入剖析的基礎上,從建立碼道,到翻譯碼道,再到校正碼道,探索出了兩種不同方式的編碼機制,即基于DBCS控制理論的新型編碼機制、矩陣碼與偽隨機碼合成編碼機制。并詳細分析了譯碼、校正原理,實現(xiàn)了大范圍位置誤差校正。分析了莫爾條紋質量的影響因素和光柵尺精度,建立了系統(tǒng)誤差修正模型。研究了絕對式線位移光柵傳感器原理,開展了原理仿真,并對仿真結果進行了試驗驗證。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：長春理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP212

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