圆光栅安装偏心误差测量与补偿技术

摘要

圆光栅编码器在航空航天、智能机器人、高档数控机床、高精度坐标测量机等领域有着广泛的应用，随着技术的不断发展，对圆光栅编码器的测量精度的要求也越来越高。安装偏心误差对圆光栅编码器的测角精度有很大的影响，测量求出安装偏心误差参数、补偿因偏心误差带来的测量误差至关重要。针对圆光栅偏心误差参数测量与补偿问题，本文设计了基于机器视觉的圆光栅安装偏心参数测量系统，提出了机器视觉方式圆光栅偏心误差参数辨识算法;同时针对现有双读数头方式圆光栅安装偏心误差参数测量和补偿存在的问题，提出了改进的误差补偿算法，实验结果显示，所设计的偏心误差测量系统能够有效实现圆光栅偏心误差参数辨识，所提出的补偿算法能有效提升圆光栅编码器角度测量精度。
　　根据机器视觉方式圆光栅编码器安装偏心参数测量系统的技术要求，首先设计了参数测量系统的总体方案，在此基础上，研究了基于机器视觉的偏心参数辨识算法，分析了测量装置的总体结构，详细介绍了镜头位置调节结构和圆光栅旋转结构的设计过程。其次根据偏心误差测量要求，对运动控制系统的核心控制器、驱动电机以及图像采集系统的工业相机、光学镜头以及光源等关键部件进行了选型设计。最后，研究了系统运动控制的核心控制算法以及图像处理的核心算法，详细剖析了机器视觉偏心误差测量系统的运动控制功能以及图像处理功能模块的实现过程。
　　针对已有双读数头圆光栅安装偏心参数测量与补偿存在的测量过程繁琐、补偿精度低的问题，本文在前人建立的安装偏心误差模型基础上，分析了安装偏心对圆光栅编码器角度测量精度的影响，研究并提出了针对双读数头方式的偏心误差测量与补偿模型，通过仿真对所提误差测量和补偿模型的效果进行了验证。
　　最后，为了验证所设计的机器视觉偏心误差测量系统的误差参数测量精度，以及针对双读数头方式提出的误差测量和补偿模型的效果，采用正二十三面棱体与光电自准直仪配合实现测量。实验结果显示，采用所提出的双读数头误差测量和补偿模型，能够有效辨识安装偏心误差参数，并对角度测量误差进行补偿，补偿后的测角精度可达到1”以内。同时，两种方式的圆光栅安装偏心误差测量结果相差小于1μm，很好地验证了所设计的机器视觉测量系统的精度和可靠性。
　　通过以上研究，实现了对圆光栅安装偏心的测量及补偿，对于提高圆光栅测角精度起到了重要作用。

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摘要

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表格清单

第一章 绪论

1．1 课题的来源

1．2 课题研究的目的和意义

1．3 圆光栅编码器的发展状况

1．3．1 圆光栅编码器的分类

1．3．2 圆光栅编码器的发展

1．3．3 圆光栅编码器的应用

1．4 课题研究的现状

1．4．1 机器视觉的发展现状

1．4．2 圆光栅安装偏心参数测量及补偿算法研究现状

1．5 课题研究的主要内容

第二章 圆光栅偏心误差机器视觉测量系统总体设计

2．1 圆光栅安装偏心误差测量系统技术要求

2．2 圆光栅安装偏心误差测量系统

2．3 圆光栅偏心误差机器视觉测量系统总体设计

2．3．1 圆光栅安装偏心机器视觉系统误差测量算法研究

2．3．2 关键结构设计

2．3．3 运动控制系统

2．3．4 机器视觉系统

2．4 本章小结

第三章 测量系统运动控制与图像处理算法研究

3．1 运动控制系统设计

3．1．1 运动控制系统核心处理模块

3．1．2 运动控制模块加减速规划

3．1．3 运动控制系统核心模块软件实现

3．2 图像处理算法研究

3．2．1 图像增强

3．2．2 光栅基圆图像分割

3．2．3 轮廓提取

3．2．4 最小二乘法圆拟合

3．2．5 尺寸标定

3．3 本章小结

第四章 双读数头圆光栅安装偏心误差测量与补偿算法研究

4．1 圆光栅安装偏心对测角精度的影响分析

4．2．1 偏心误差测量模型

4．2．2 偏心误差补偿模型

4．3 双读数头方式偏心误差测量与补偿算法验证

4．4 本章小结

第五章 实验研究

5．1 双读数头方式偏心误差测量与补偿效果验证

5．2 机器视觉测量系统偏心误差测量精度验证

5．3 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果