圆光栅角度传感器偏心误差的分析与补偿

偏心误差是圆光栅角度传感器测角误差的主要来源之一。 通过推导偏心误差的表达式及其三角级数展开,提出了使用对径双读头可以测量偏心参数并补偿偏心误差,因此设计了利用改进的粒子群算法从双读头计数值中拟合得到偏心参数的流程和一种基于区间转换和两级查找表的现场可编程门阵列(FPGA)偏心误差实时补偿模块,使得在标定得到偏心参数后,在设备中仅使用单个读头就能实现与双读头几乎相同的测角精度,节省了成本。 实验分析表明,对于实验中用到的单圈 320 000 计数值的编码器,在误差补偿前,单读头计数值与双读头计数均值之间最大相差 109,即偏心误差最大可达 0. 06°,显著影响测角精度;而在误差补偿后,二者最大相差 6,平均仅相差 1. 46,这验证了提出的误差补偿方法可以有效代替双读头的使用。     

圆光栅结构参数误差分析

以关节测试系统为研究对象,为了避免系统中由于圆光栅编码盘偏心安装所引起的测量误差,基于Renishaw圆光栅安装要求,列举了引起偏心误差的结构参数,分析了各结构参数对圆光栅安装位姿的影响,通过分析和计算对各结构参数进行了误差分配。最后通过实例计算,验证了误差分配的合理性,得出在满足圆光栅安装条件的前提下,各结构参数所允许的误差范围。实现了通过控制各结构参数误差,确保圆光栅达到安装要求,避免偏心安装引起较大偏心误差。     

基准圆光栅偏心检测及测角误差补偿

为了修正关节测试平台中由圆光栅安装偏心所产生的测量误差,建立了圆光栅偏心测角误差补偿模型并对安装偏心检测方法进行研究。首先,根据圆光栅测角与偏心参数间的几何关系,推导出圆光栅测量误差补偿模型。然后,描述了采用双读数头对比接收正弦信号间相位差,检测偏心参数的方法和原理;通过合成信号的李萨茹图形,检测出关节测试平台内圆光栅的偏心距及偏心方向。最后,根据所推导的偏心测角误差补偿公式对测试系统进行修正。对比实验结果表明:修正后的圆光栅测角精度大幅提高,测量精度提高了近5倍,满足关节测试平台的测量精度要求。     

圆光栅测角误差实时补偿方法研究

误差补偿是提高圆光栅测角精度的常用手段。一些机床和精密仪器由于没有位置测量元件误差补偿功能,无法进行圆光栅的误差在线补偿。针对这一问题,提出了一种中继式的圆光栅测角误差实时补偿方法。首先,分析了圆光栅测角误差的补偿原理,建立了谐波拟合函数和圆光栅测角误差补偿模型;然后,进行了误差补偿模块的硬件选型,设计了以差分芯片为核心的信号转换电路,包括差分信号转单端信号电路和单端信号转差分信号电路,开发了误差补偿模块的嵌入式软件,将所设计的误差补偿模块插入到圆光栅的信号输出通道,建立了基于中继式误差补偿模块的试验系统;最后,采用雷尼绍校准装置采集了圆光栅的原始误差数据,使用谐波函数对测角误差数据进行了拟合,应用误差补偿模型,利用误差补偿硬件模块,对圆光栅测角误差进行了在线补偿试验。研究结果表明：对测角误差最大值为134.59″的圆光栅进行补偿后,其误差最大值可减小到12.62″,可见采用误差实时补偿方法可以显著提高圆光栅测角精度。     

外圆磨削补偿系统模型分析与参数辨识

为了提高精密外圆磨削加工的圆柱度，笔者研制了一套用于精密外圆磨削的圆柱度误差补偿庆磨削过程中，由计算机发出信号控制补偿机构动作，使工件和砂轮之间产生受控的相对运动。本文分析了系统的动力学模型，推导了传递函数，并分析了其差分方程模型及参数辨识方法，根据上述模型及激振试验采集数据，获得了模型参数，从而为补偿提供了依据。     

圆光栅闭环反馈回转关节高精度补偿方法研究

从提高位置精度出发,采用了基于圆光栅全闭环反馈的回转关节控制方案。在分析传统运动精度补偿方法的基础上,结合激光干涉仪回转轴校准系统对位置精度的检测结果,建立了一种综合考虑大周期误差及小周期误差的三次封闭样条与三角函数相叠加的回转运动误差补偿模型,从而使定点误差测量结果能够应用到整个行程区间的准确补偿。在兼顾精度和效率的基础上提出了相应的无累积误差的补偿算法以提高误差补偿精度并进行了实验,使补偿后的残留误差标准差减小了47．4％,表明该方法可有效提高回转关节位置精度。     

圆光栅闭环反馈回转关节高精度补偿方法研究

从提高位置精度出发,采用了基于圆光栅全闭环反馈的回转关节控制方案。在分析传统运动精度补偿方法的基础上,结合激光干涉仪回转轴校准系统对位置精度的检测结果,建立了一种综合考虑大周期误差及小周期误差的三次封闭样条与三角函数相叠加的回转运动误差补偿模型,从而使定点误差测量结果能够应用到整个行程区间的准确补偿。在兼顾精度和效率的基础上提出了相应的无累积误差的补偿算法以提高误差补偿精度并进行了实验,使补偿后的残留误差标准差减小了47.4%,表明该方法可有效提高回转关节位置精度。     

新型圆光栅测角误差补偿方法及其应用

在实际工业应用中,环境温度变化是便携关节式坐标测量机中旋转轴系测角精度的主要误差源。为了消除环境温度对旋转轴系测角精度的影响,本文提出了一种新型圆光栅测角误差补偿方法,即建立含有环境温度影响因子的圆光栅测角误差补偿模型。利用谐波方法建立在特定温度下的圆光栅测角误差补偿模型,利用多项式方法建立谐波系数与环境温度之间的函数关系。最后,以14℃下的实验数据为验证数据,分别代入到传统谐波误差补偿模型和本文提出的模型中。实验结果表明,相对于传统谐波误差补偿模型,使用本文提出的模型补偿后圆光栅的测角精度提高4倍左右,修正后的残差峰峰值在2″以内,能够有效地补偿10～40℃下圆光栅的测角误差。     

一种闭环控制圆光栅角度分度测量装置

研制闭环控制的用于角度标定与测量的分度装置,该装置以永磁直流力矩电机驱动精密轴系主轴的运转带动角度分度盘的转动,以圆光栅测量系统检测主轴的转动角度.由电流环、速度环和位置环组成的闭环控制系统实现零误差分度定位控制.研究圆光栅测量信号处理中信号细分形成的系统非线性误差对分度精度的影响,建立误差修正模型.经检定,系统在±5°的角度范围内分度精度达到±0.2",定位重复性0.06".     

改进的粒子群算法在圆度误差评价中的应用

由于用最小区域法(MZC)评价圆度的目标函数是非线性函数,用传统的优化方法难以进行评价,而且还容易陷入局部最优解。基于最小区域法(MZC)准则的基础上,运用一种改进的粒子群算法—协同粒子群优化(CPSO)算法来评价圆度误差,此方法将原来的粒子群分成若干个子种群,每个子种群中粒子各自寻求自己的最优值,各种群粒子信息共享,共同进化,直到达到指定的进化代数,最后比较得出最优值。相比遗传算法(GA)和标准的粒子群优化(PSO)算法具有全局搜索能力强,收敛速度快,精度高的优点。最后在MATLAB软件编程环境下,用实例比较验证了CPSO算法的有效性。对其他的几何量评价具有指导意义。     

圆光栅测角系统示值误差分析与补偿

首先针对引起圆光栅测角系统示值误差的主要来源(光栅盘的偏心及倾斜)进行理论研究,同时提出光栅盘与转动轴的同轴安装方法;利用中国计量科学研究院的全圆连续角度标准装置(测量不确定度为0.05″)对待测圆光栅测角系统直接进行溯源性测试,避免了圆光栅安装过程和间接溯源性测试(多面棱体和光电自准直仪配合校准)过程中引入的仪器误差;其次利用谐波理论分析偏心和倾斜以及其它阶次误差在频谱中的分布;最后针对安装偏心和倾斜造成的误差,进行谐波补偿。实验结果表明,测角系统的示值误差从补偿前的100″减小到了10″,有效消除了光栅盘安装偏心、倾斜造成的稳定可复现的误差谐波成分。     

转台工作面角位置测量装置误差分析与补偿

针对特定转台轴端角位置检测误差不能反映实际产品工作面空间角位置的问题,介绍了一种以圆光栅和水平电容传感器作为测角元件的转台工作面空间角位置定位测量装置。以提高空间测角精度为目的,重点对装置各项误差因素进行归类分析。除光栅和传感器分别存在的分系统测角误差外,测量装置还存在转轴与测量基面不平行、传感器敏感轴与测量基面不平行等误差项。为修正测角系统误差,根据圆光栅旋转面、传感器敏感轴、转轴轴系、测量基面的空间几何关系建立数学模型,分析系统误差影响因素。最后利用分度误差在0.3″高精度转台对校准装置进行标定,并利用径向基函数(RBF)神经网络建立误差补偿模型,对系统测角精度进行修正,使系统最大误差值由13.75″下降至2.9″,满足了3″以内的测角精度需求。     

时栅位移传感器误差动态采样与补偿模型研究

针对现有时栅位移传感器误差补偿模型补偿效果受标定实验台速度影响的问题,提出了一种基于三次样条插值-傅里 叶谐波合成的误差补偿模型。 首先,根据时栅位移传感器多测头信号感应原理与整周误差曲线等间距周期性分布特性,分析短 周期误差受标定实验台速度影响,引入传感器等间距采样的“错位”误差,该误差将直接影响构建的短周期误差补偿模型的补 偿效果;其次,利用三次样条插值法准确定位误差采样位置,精确重构短周期误差曲线;最后,通过重构的短周期误差曲线与傅 里叶谐波补偿法建立了短周期误差补偿模型,提高了时栅位移传感器误差补偿效果。 实验结果表明,采用本补偿模型后传感器 短周期误差峰峰值降至 1. 7″;本补偿模型短周期误差补偿效果优于传统基于傅里叶谐波补偿法构建的补偿模型,标定实验台速 度为 3 r/ min 时补偿效果可提高 56. 0% ,既能满足传感器动态标定的工作效率,也能满足传感器的高精度误差标定需求。     

基于d-q变换的时栅位移传感器补偿算法研究

时栅位移传感器是一种新型的栅式位移传感器,它不依赖于空间等分性,通过对时间脉冲进行计数而间接实现位移测量,从而达到高精度测量。介绍了传感器信号变形的原因,将非理想信号分为幅度不均、相位偏移、谐波叠加、波形变形四大类;针对幅度不均的情况,将电机学中的d-q变换引入误差分析,推导出其对寄生式时栅位移传感的误差影响;同时在d-q变换原理的视角下重新审视了时栅传感器的测量过程。提出了一种基于变换空间下的误差补偿算法,d轴的差分项与q轴误差项变化趋势一致,利用变化规律对测量误差进行实时修正。在安装有寄生式时栅位移传感器的实验台上进行了实验并获取到不同情况下的误差曲线,实验结果表明,该补偿算法可以消除幅度不均带来的二次误差,误差压制量达到90%。这种算法完全利用信号本身的特性,无需复杂的运算,将误差部分进行了补偿达到了比较理想的效果,对于寄生式时栅位移传感器的实际应用具有重要意义。     

嵌入式时栅角位移传感器短周期误差分析与补偿

为提高嵌入式时栅角位移传感器测量精度,从传感信号形成机理出发,对短周期误差成因进行了详细分析。通过对绕组等效分析和激励信号分析,确定了短周期误差的主要特性为一次和二次误差,一次误差来源为零点残余误差和直流分量误差,二次误差来源为激励信号正交误差。针对短周期误差补偿,提出了基于超限学习机的误差补偿方法,通过对测量值与真实值样本的训练得到模型最优参数,根据模型参数建立短周期误差模型,利用所得误差模型实现对短周期误差的补偿。实验结果表明,短周期误差分析结果与传感器实际误差特性一致,采用该补偿方法传感器短周期误差大幅度降低,降低了约96%。对比和重复性实验表明,该方法与谐波补偿法相比精度提高了约1倍,误差补偿效果更优,同时方法具有良好的测量稳定性,对提高嵌入式时栅角位移传感器的测量精度具有重要的理论和现实意义。     

制动主缸补偿孔位置检测误差分析与补偿

针对当前制动主缸补偿孔检测效率低、精度低、成本高等技术现状,提出了一种集光、机、电于一体的高性能精密检测系统,分析了该系统所涉及的补偿孔几何中心位置检测误差并进行补偿。通过对误差来源的分析,揭示了制动主缸补偿孔位置检测过程的误差解算方法。基于该解算方法,利用增量式误差补偿方法构建了误差补偿模型,并进行补偿孔检测与误差补偿实验。实验结果表明,系统竖轴误差对补偿孔直径检测数据的影响较小,而对补偿孔位置检测数据的影响则由补偿孔与基准面的相对位置决定。补偿孔与基准面距离越远,误差越大。实验数据显示,在型号为ZDZG-20.64的被试件中,被测补偿孔位置精度分别提高0.05 mm和0.254 mm;在型号为ZDZG-22.2的被试件中,被测补偿孔位置精度分别提高0.044 mm和0.072 mm。该误差模型及补偿方法能够有效提高制动主缸补偿孔的检测精度。     

时栅传感器动态测量误差补偿

针对动态测量误差特点,提出了对系统误差和随机误差分别进行建模和组合补偿的思想来提高时栅传感器的动态测量精度。对具有周期性变化特征的系统误差采用傅里叶级数逼近的方法进行建模,运用最小二乘求解超定方程组的方法计算出系统误差的补偿参数。对于系统误差补偿后残留的随机误差采用灰色预测GM(1,1)模型进行预测,通过模型残差检验和修正提高预测的准确度。实验结果表明,利用傅里叶级数逼近模型有效地补偿了系统误差,误差由±35″降至±7.8″,通过最小二乘参数寻优得到的补偿参数与传感器实际的误差成分相吻合;灰色预测模型则很好地预测补偿了残留的随机误差,误差由±7.8″降至±3″。得到的结果表明,利用这种对误差分别建模和补偿的方法大幅度地降低了动态测量误差,有效地提高了传感器的测量精度。