绝对式单码道线位移光栅传感器原理与实现

摘要

位移精密测量技术是工业4.0发展的必要条件，位移精密测量体现了一个国家的工业综合实力和技术水平，数控制造业、航空航天与军工装备和高科技领域的发展等都取决于位移精密测量技术的发展水平。在现有的精密位移测量手段中，光学测量以其精度高、测量范围广、分辨率高、可靠性高等优势捍卫着主导地位，其中光栅计量传感器应用最为广泛。然而，由于我国对光栅传感器的研究技术水平还有待提高，高精度、高可靠性的光栅传感器依赖进口。因此，研制出高精度、高可靠性的绝对式光栅传感器势在必行。
　　随着高端制造业的迅猛发展，对数控加工技术水平也提出了越来越高的要求。而对线位移的精密定位和闭环控制，也正逐渐地从增量式光栅传感器向绝对式光栅传感器方式转变。但是，目前我国还不具备生产适用于数控系统闭环需求的绝对式光栅传感器的能力。因此，开展绝对式单码道光栅传感器的测量相关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；深入研究了绝对位置编码机制、码道译码、校正原理仿真模型和影响光栅信号质量的因素，并完成了绝对式光栅尺精度分析及误差修正。
　　主要的研究内容和创新点如下：
　　分析现有绝对式光栅尺编码方式。将光刻工艺难度、刻划效率作为编码模型的边界条件，阐述了绝对编码单值函数的特点，并针对该特点建立了编码值间逻辑关系的数学模型。在此基础上，依据数学模型运用二叉树、回溯等搜索算法展开了编码的研究工作。研究结果表明该方法在原理上可行，但在实际操作中，存在运算量大，海量存储数据等致命缺点。本文创新性地提出了基于DBCS控制理论的绝对编码机制，该编码机制以刻划工艺难度、刻划效率以及读取效率为权值，以权值作为自变量的评价阈值函数，优化编码序列，得到权值最大（降低工艺难度、提高刻划效率）的绝对编码序列。
　　对于中小量程的绝对式光栅尺，本文本着相关技术成熟、处理方法简单等特点，创新性的提出了矩阵码与伪随机码相结合的编码机理，并开展下列研究：分析了矩阵码道与精码道逻辑关系，建立满足读数头尺寸要求的矩阵码道，依据矩阵码道逻辑关系模型，建立伪随机码的优选机制（刻划工艺简单、刻划效率高）编码模型。
　　针对上述两种绝对式光栅尺的编码机制，开展了编码原理的仿真。1）分析了基于DBCS控制理论的绝对编码机制，建立了非线性关系的单值编码函数的译码模型。以实际光栅刻划精度、安装不平行误差等为边界条件，创新性地建立了一种基于接收光电器件像素点逻辑关系的校正模型。并开展了相应的码道位置误差修正模型的研究与验证工作，实现了±1/4绝对码道周期的大范围位置误差校正。2）分析了基于矩阵码与伪随机码结合算法的绝对编码机制，依据矩阵码译码及伪随机码译码原理，建立了译码及校正模型，并对校正模型进行了仿真验证，实现了±1/4精码道周期范围的位置误差校正。
　　分析了光源光强分布函数，并针对光强分布特点开展了基于毛玻璃“匀光”特性的理论分析、模拟仿真和试验验证，试验结果表明旋转的毛玻璃产生匀光效果。对增量码道光栅副方程进行了理论分析，确立了以波长、栅距为参数的最佳焦面求解模型，并依据焦深公式推导出主光栅与指示光栅间隙允差范围。研究了影响莫尔条纹质量的各种因素，分析了各因素给测量结果带来的影响，提出了一种实现提高莫尔条纹质量的处理方法。
　　研究了光栅尺测量精度的影响因素，并对其做定性和定量分析。运用激光双频干涉仪、激光自准直仪等辅助设备，对误差标定过程中产生的阿贝误差进行补偿，运用人工神经网络BP优化算法对绝对误差进行修正，建立了光栅尺误差修正数学模型，实现了光栅尺测量修正误差小于0.1μm。
　　综上所述，本文在对绝对式光栅尺编码机制构建方法的深入剖析的基础上，从建立码道，到翻译码道，再到校正码道，探索出了两种不同方式的编码机制，即基于DBCS控制理论的新型编码机制、矩阵码与伪随机码合成编码机制。并详细分析了译码、校正原理，实现了大范围位置误差校正。分析了莫尔条纹质量的影响因素和光栅尺精度，建立了系统误差修正模型。研究了绝对式线位移光栅传感器原理，开展了原理仿真，并对仿真结果进行了试验验证。

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第一章 绪 论

1.1课题的研究背景和意义

1.2绝对式光栅尺相关技术的发展及现状

1.3绝对式编码方法分析与比较

1.4论文的主要研究内容及章节安排

第二章 绝对式光栅尺新型编码机制

2.1绝对式光栅尺新型编码机制的提出

2.2基于二叉树原理的新型编码机制

2.3基于DBCS算法的编码机制

2.4矩阵码与伪随机码组合编码机制

2.5本章小结

第三章 绝对式光栅尺原理仿真与验证

3.1基于DBCS算法的编码机制仿真

3.2读取绝对式码道

3.3矩阵码、伪随机码结合编码机制仿真

3.4本章小结

第四章 影响光栅尺光电信号质量的因素

4.1 照明系统光强分布

4.2光栅系统最佳焦面

4.3影响莫尔条纹质量的因素

4.4本章小结

第五章 精度分析与误差修正

5.1绝对式光栅尺精度分析

5.2光栅尺误差标定及修正方法

5.3本章小结

总结与展望

1. 研究内容总结

2. 论文创新点

3. 研究展望

致谢

参考文献

附录一 线位移光栅传感器误差修正实验数据

附录二 博士研究生期间发表的学术论文

附录三 博士研究生期间承担的科研项目

附录四 博士研究生期间完成的专利