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多读数头光栅测量误差试验台设计与实验[范文]

时间:2018-02-06 08:55:31 编辑:知网查重入口 阅读:

1. 绪论

 1.1题目背景及研究意义

   本课题来源于国家自然基金“ CNC齿轮测量中心的误差解耦及测量品质优化”,研究并解决齿轮测量中心所用光栅的短周期误差特性,以及多读数头提高光栅测量精度的机理。

CNC齿轮测量中心一般采用光栅作为长度或角度测量基准,光栅测量精度决定了齿轮测量中心的精度,提高光栅测量系统的精度可以直接提高齿轮测量中心的精度,减小测量不确定度。目前我国的光栅制造精度依然落后于国外,国外只向我国出口精度为1um以上的光栅测量系统,所以为了进一步提高测量精度,需要进行机械结构性的改进来满足实际高精密生产对精度的要求,本文主要研究如何提高光栅测量精度,解决光栅测量中产生的短周期误差尤其是细分误差。本课题要求设计多读数头光栅测量误差试验台,并进行实验以及结果分析,减小测量不确定度,对提高光栅测量精度具有重要意义。

 1.2影响光栅测量精度的因素

 

在工程的应用上,对于高分辨率、高稳定性的光栅测量系统的研究已经是一个热门话题,该研究对于高精密测量的意义十分重要,但一直以来误差如何修正的问题一直没有得到较好的答案,也对光栅测量的准确度造成了不可忽视的影响。经过调研可以知道影响光栅尺线位移传感器测量精度的主要来源包括:光栅尺制造误差、光栅尺稳定性误差、数字化误差、细分误差、机械运动误差和温度误差等;按频率分包括短周期(不匀)误差和长周期(不匀)误差。以长度光栅测量系统为例,它是采用光栅测量原理对工件进行位移测量,其工作过程是接收、转换、细分、量化及显示来完成一系列的测量,具备分辨率高、测量范围大、测量精度高、较强的抗干扰能力以及自带细分功能,这些特点使其成为工业应用的焦点,但在误差修正上却始终未能很好地得到解决。长度光栅测量系统的要点有两个,即测量系统在测量过程中的位移精确度和栅距的细分精确度,而所产生的误差结果往往就会表现在长度光栅测量系统的示值误差中。

在本次课题中主要研究的是光栅的短周期(不匀)误差。短周期(不匀)误差是指整个光栅长度范围内,每间隔一定距离即出现一根栅线变粗或变细的现象,短周期误差是普遍存在的最主要的光栅制造误差,其特色就是具有周期性,

当把该光栅与基准光栅组成光栅副,莫尔条纹图像就会呈明显锯齿状,这将使光

栅读数头检测到的信号中高次谐波增大,波形的正弦性和正交性变差。细分误差又属于短周期误差的一种,低于一个栅距的误差为细分误差,那么解决细分误差是本课题的重点。

 

1.3 国内外光栅细分误差的解决措施

 

通过查阅相关文献,光栅细分误差的解决措施有以下几种方式:

在光栅位移测量系统中,普遍采用多头接收来消除长周期中的谐波成分,再与指示光栅视场上小面积误差平均作用,又可消除短周期误差。那么对于特高精度的设备和仪器,要获取更高精度的基准光电信号,英国国家物理研究所(N.P.L)给出了方法,其最早在光电圆刻机及光电检验仪上采用全平均接收,该机刻制的光栅度盘精度高于0.2″,光电检验仪总精度为0.1″。1974年苏联设计了BE-52型高精度测角编码器,该方案的重要特点是采用平面发光器件,并且光电接收器件就制作在指示光栅的后面,如图1.1所示:

 BE-52型高精度测角编码器

 BE-52型高精度测角编码器

全平均接收,在轴隙优良、光照均匀、光电转换为线性特性等条件下,可能消除直径误差及中短期误差、均匀性误差以及平均偶然性误差。在光栏宽度为某项误差周期的整数倍时,可以消除该项周期误差。

德国的联邦物理研究院成功的开发研制出了可作为角度测量和校准角度基准的基于圆光栅测量角位移的高精度实验分度转台,通过一个气浮转台作为机械动力来带动一个放射型圆形光栅分度环,把16个读数头按照一定的机械位置分别安装在固定的位置,这16个读数头当中,八个用于测角读数,八个用于校准。该测量系统运用经典的傅里叶分析法来消除测量装置各次的谐波误差,该装置的测量不确定度达到了0.0002个角秒。

JAKim和JWKim等人提出了一种在沿编码器的圆周上以间距为60度的角位移安装六个测角读数头和以间距为51.43度的角位移安装七个测角读数头的方法,运用这个方法,这13个测角读数头能非常有效的消除42次及42的倍次以外的各次谐波误差分量,经实验研究,实现了光栅角位移传感器误差从20个角秒降低至了0.005个角秒。JAKim后来又进行了更加深入一步的研究,在编码器的圆周上按照均匀分布的安装方式安装了M个测角读数头和均匀分布的N个测角读数头,这样就能够非常有效的消除K=M×N次和K=N×M倍次以外的所有谐波误差分量。 

由中国科学院光电技术研究所于1979年研制成功的MJ-50型自动监测仪,测量原理是所形成环形莫尔条纹随着两块光栅的相对运动而向内收缩或向外扩展。采用全周多个读数头平均误差的原理,而且各读数头光电信号的振幅和相位按要求调整,通过电子线路相加差放,从而得到标准角位移信号,系统最大误差为0.03″,由被测件读数头读取的被测光电信号与标准信号同时计入相位计比相,结构用电子电位差计记录,再进行数据处理,可以快速、直观地准确得到测量结果。

杨飒,赵新宇在《圆光栅误差分析与补偿方法实验验证》中提出采用多读数头的方法。多读数头是安装两个对径读数头,从而可以消除偏心的影响以及可重复的更高阶奇次谐波误差,这种方法还可以消除角度测量时轴承跳动的影响,但往往需要使用高规格的轴承或四个读数头来消除轴承跳动,以便进行精确的回转定位,增加所使用的读数头将进一步降低重复性误差,但是一般认为装配四个以上读数头时,其复杂性和成本要超过其所具有的优势。这种方法的优点在于无需进行精准校正而获得可靠精度,有利于节省时间和测试系统设计。

朱应时,杨进堂在《圆光栅的高精度高质量莫尔条纹信号的研究》中针对圆光栅采用大视场接收、十头平均和裂相差分的方法来提高莫尔条纹信号精度和质量。获得准确莫尔条纹周期的方法分两步:首先采用大视场读数头,平均刻划误差中的中、短期和局部误差成份;其次采用多头读数,平均单个大视场读数头剩余下来的长周期误差。系统采用10个读数头,呈72°均布,并采用小角度激光干涉仪与莫尔条纹波长比较,证明了10头平均获得的莫尔条纹信号用作高精度分度基准是可行的。

 

姚景风在《提高光栅测角仪器精度的多读数头读数平均法》中提出了一种多读数头消差的“读数平均法”的设想。读数平均法就是取沿光栅刻划圆周均布的n个读数头的读数平均值作为仪器的读数值的一种多读数头读数方法。这种方法可消除kn阶以外的所有阶次误差谐量对读数的影响(k为任意正整数)。

在以上采用读数头光栅测量的方法来解决细分误差过程中都没有很好解决细分之后产生的误差。本次课题研究的重点在于如何解决细分之后所产生的误差,以及通过多读数头误差平均的作用完成本次试验台的设计、搭建以及实验。

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