發(fā)布時間：2018-06-10 12:31

  本文選題：絕對式光柵尺 + 位置編碼　； 參考：《中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)》2015年博士論文

【摘要】：高端制造業(yè)的快速發(fā)展對數控機床的加工精度提出越來越高的要求.在線位移的檢測和控制方面,正在逐漸的從圓編碼器配合滾珠絲杠的方式向光柵尺配合直線電機的方式轉變,但目前我國沒有能夠適用于數控系統(tǒng)閉環(huán)需求的光柵尺。絕對式光柵尺是2005年出現在市場上的一種新型光柵產品,相比于增量式光柵尺而言,其在功能、性能上都有較大提高,目前已在中高檔數控系統(tǒng)中廣泛應用。因此,開展高精度絕對式光柵尺的測量技術研究具有重要意義。本論文在參考國內外技術文獻的基礎上,研究了絕對式光柵尺的工作原理,提出了研制方案。深入研究了單軌絕對位置編碼、專用光電器件、串行通信協(xié)議等關鍵技術,完成了絕對式光柵尺的研制,給出了設計結果。研究了使用線性移位反饋寄存器產生絕對位置編碼的方法,詳細闡述了聯(lián)結多項式的本原多項式的求解方法,給出了系數在二元域取值的10級多項式的所有本原多項式。為了增加譯碼的可靠性,研究了曼徹斯特編碼在絕對位置編碼中的應用。利用上述方法,完成了絕對位置編碼的設計。研究了絕對式光柵尺光電信號探測方法。介紹了CMOS圖像傳感器在絕對式光柵尺中的應用方式,詳細闡述了絕對式光柵尺專用光電器件的架構設計與電路設計,給出了設計結果。分析了專用光電器件的頻率響應和信噪比的關系,絕對式光柵尺最大測量速度和分辨率的關系,給出了仿真結果和測試結果。提出了一種提高光柵莫爾條紋信號質量的濾波方法,將每一個指示光柵窗口分割成多個包含特定相位關系的窗口,從而抑制高次諧波分量,提高了莫爾條紋的正弦性。搭建了絕對式光柵尺測量范圍內誤差檢測系統(tǒng),對研制的JC09型絕對式光柵尺進行了性能檢測,提出了誤差補償方法,有效提高了絕對式光柵尺測量精度。提出了絕對式光柵尺細分誤差補償方法。對絕對式光柵尺兩路莫爾條紋信號進行傅里葉分析,建立莫爾條紋信號模型,對比實際信號模型和理想信號模型的細分位置,得到絕對式光柵尺的細分誤差,根據該誤差對細分值進行補償,提高細分精度。運用本文研究的方法,完成了JC09型絕對式光柵尺的研制,主要技術指標達到國際同類產品水平,首次實現了國產光柵尺在數控系統(tǒng)上的應用。經檢測,本論文設計的JC09型絕對式光柵尺測量精度為±8μm/m,分辨率0.01μm,最大工作速度達到180m/min,最大工作加速度3g。通過運用本文的讀數頭內測量范圍內誤差補償方法,JC09的測量精度可以提高到±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 鹵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 鹵1.5 渭 m / m by using the error compensation method in measuring range of reading head in this paper.
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG659

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本文編號：2003231