高精度绝对式光栅尺测量技术研究

发布时间：2018-06-10 12:31

  本文选题：绝对式光栅尺 + 位置编码　； 参考：《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》2015年博士论文

【摘要】：高端制造业的快速发展对数控机床的加工精度提出越来越高的要求.在线位移的检测和控制方面,正在逐渐的从圆编码器配合滚珠丝杠的方式向光栅尺配合直线电机的方式转变,但目前我国没有能够适用于数控系统闭环需求的光栅尺。绝对式光栅尺是2005年出现在市场上的一种新型光栅产品,相比于增量式光栅尺而言,其在功能、性能上都有较大提高,目前已在中高档数控系统中广泛应用。因此,开展高精度绝对式光栅尺的测量技术研究具有重要意义。本论文在参考国内外技术文献的基础上,研究了绝对式光栅尺的工作原理,提出了研制方案。深入研究了单轨绝对位置编码、专用光电器件、串行通信协议等关键技术,完成了绝对式光栅尺的研制,给出了设计结果。研究了使用线性移位反馈寄存器产生绝对位置编码的方法,详细阐述了联结多项式的本原多项式的求解方法,给出了系数在二元域取值的10级多项式的所有本原多项式。为了增加译码的可靠性,研究了曼彻斯特编码在绝对位置编码中的应用。利用上述方法,完成了绝对位置编码的设计。研究了绝对式光栅尺光电信号探测方法。介绍了CMOS图像传感器在绝对式光栅尺中的应用方式,详细阐述了绝对式光栅尺专用光电器件的架构设计与电路设计,给出了设计结果。分析了专用光电器件的频率响应和信噪比的关系,绝对式光栅尺最大测量速度和分辨率的关系,给出了仿真结果和测试结果。提出了一种提高光栅莫尔条纹信号质量的滤波方法,将每一个指示光栅窗口分割成多个包含特定相位关系的窗口,从而抑制高次谐波分量,提高了莫尔条纹的正弦性。搭建了绝对式光栅尺测量范围内误差检测系统,对研制的JC09型绝对式光栅尺进行了性能检测,提出了误差补偿方法,有效提高了绝对式光栅尺测量精度。提出了绝对式光栅尺细分误差补偿方法。对绝对式光栅尺两路莫尔条纹信号进行傅里叶分析,建立莫尔条纹信号模型,对比实际信号模型和理想信号模型的细分位置,得到绝对式光栅尺的细分误差,根据该误差对细分值进行补偿,提高细分精度。运用本文研究的方法,完成了JC09型绝对式光栅尺的研制,主要技术指标达到国际同类产品水平,首次实现了国产光栅尺在数控系统上的应用。经检测,本论文设计的JC09型绝对式光栅尺测量精度为±8μm/m,分辨率0.01μm,最大工作速度达到180m/min,最大工作加速度3g。通过运用本文的读数头内测量范围内误差补偿方法,JC09的测量精度可以提高到±1.5μm/m。
[Abstract]:With the rapid development of high-end manufacturing industry, the machining accuracy of NC machine tools is demanded more and more. In the aspect of on-line displacement detection and control, it is gradually changing from circular encoder with ball screw to grating ruler with linear motor, but at present, there is no grating ruler suitable for the closed-loop requirement of CNC system in our country. Absolute grating ruler is a new kind of grating product which appeared on the market in 2005. Compared with the incremental grating ruler, its function and performance have been greatly improved, and it has been widely used in middle and high grade numerical control system. Therefore, it is of great significance to study the measurement technology of high precision absolute grating ruler. In this paper, based on the reference of domestic and foreign technical literature, the working principle of absolute grating ruler is studied, and the development scheme is put forward. The key technologies such as monorail absolute position coding, special optoelectronic devices and serial communication protocol are studied in detail. The development of absolute grating ruler is completed and the design results are given. The method of generating absolute position coding by linear shift feedback register is studied. The solution of the primitive polynomial of the connection polynomial is discussed in detail, and all primitive polynomials of the 10-order polynomial whose coefficients are obtained in the binary domain are given. In order to increase the reliability of decoding, the application of Manchester coding in absolute position coding is studied. Using the above method, the design of absolute position coding is completed. The detection method of absolute grating ruler photoelectric signal is studied. The application of CMOS image sensor in absolute grating ruler is introduced. The structure design and circuit design of special photoelectric device for absolute grating ruler are described in detail. The design results are given. The relationship between frequency response and signal-to-noise ratio (SNR) of special optoelectronic devices and the relationship between the maximum measuring speed and resolution of absolute grating ruler are analyzed. The simulation results and test results are given. A filtering method is proposed to improve the quality of grating moire fringe signal. Each indicated grating window is divided into several windows with specific phase relationship, which can suppress the high-order harmonic component and improve the sinusoidal property of moire fringe. The error detection system of absolute grating ruler is set up, the performance of JC09 absolute grating ruler is tested, and the method of error compensation is put forward, which effectively improves the measuring accuracy of absolute grating ruler. An absolute grating scale subdivision error compensation method is proposed. The Fourier analysis of two moire fringe signals of absolute grating ruler is carried out, and the moire fringe signal model is established. The subdivision error of absolute grating ruler is obtained by comparing the subdivision position of the actual signal model and the ideal signal model. According to the error, the subdivision value is compensated and the subdivision accuracy is improved. The JC09 absolute grating ruler has been developed by using the research method in this paper. The main technical indexes have reached the international level of the same kind of products, and the application of the domestic grating ruler in the numerical control system has been realized for the first time. The measurement accuracy of JC09 absolute grating ruler is 卤8 渭 m / m, the resolution is 0.01 渭 m, the maximum working speed is 180 m / min and the maximum working acceleration is 3 g. The measurement accuracy of JC09 can be improved to 卤1.5 渭 m / m by using the error compensation method in measuring range of reading head in this paper.
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG659

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本文编号：2003231