时栅角位移传感器误差测试及补偿

在工业现场,角位移传感器校准受特殊条件的限制,很难用标准器进行密集误差采样来提高精度。针对该问题提出了一种稀疏误差采样及补偿方法。在分析时栅角位移传感器的感应信号的基础上,提出稀疏采样第1个对极内细分误差+对极点零位误差的测补方式,给出用激光干涉仪获取零位和细分误差的方法及采用稀疏采样的误差补偿模型进行补偿的具体过程。以72对极时栅角位移传感器为对象进行研究,实验结果表明:该方法充分剔除了零位误差且补偿了细分误差,在稀疏采样的条件下即可实现整周范围的有效补偿,大大提高了修正效率和测量精度,时栅传感器的精度达到2.69″。     

时栅角位移传感器误差分离与建模方法研究

为实现时栅角位移传感器的误差分离,进而对其误差进行修正,提高时栅角位移传感器的测量精度,采用多路信号叠加原理,针对时栅角位移传感器的定子和转子在加工过程中存在的误差进行分离,消除了大部分的长周期误差,并对分离出来的误差成分进行谐波分析,建立误差修正模型,利用该模型对时栅角位移传感器的定子和转子的线槽分度误差进行修正,修正后的场式时栅角位移传感器的测量精度显著提高,精度优于±2"。实验证明,这种误差分离的方法对消除圆周分度误差十分有效,所建立的误差修正模型对传感器误差修正效果明显。     

基于Qsys的时栅信号处理系统设计与实现

为提高时栅传感器位移测量精度和测量分辨力,研究采用FPGA嵌入式锁相环倍频产生4路同频且相位差为45°的高频时钟脉冲作为测量基准,利用多路并行双边沿计数方法对时栅参考信号和时栅感应信号进行相位测量,通过相位差转换得到具有高分辨力的时栅位移信号, 采用Qsys开发平台设计Nios－II软核进行数据处理,利用傅立叶级数谐波修正技术对测量结果进行误差修正,提高时栅传感器的测量精度,在72对极磁场式时栅角位移传感器上进行精度测试,实验结果表明:经过误差修正后,该系统测量的整周误差从－57.2″~ 92.5″下降到－2.0″~2.5″,作为角位移传感器满足高端装备高精度定位需求,具有重要的工程应用价值。     

基于遗传算法的时栅误差参数辨识与补偿方法研究

针对现有磁场式时栅角位移传感器原始测量精度低且误差成分复杂等特点,提出一种基于遗传算法的误差参数辨识与补偿方法,该方法根据时栅误差数学模型抽象出适应于生物遗传法则的遗传算法模型。首先将磁场式时栅误差辨识参数的样本数据进行针对性训练,并设置约束条件,然后利用遗传算法的“部分可观测黑箱性”特点进行数据样本迭代,并与时栅误差参数建立的目标函数寻求最佳逼近,以此完成误差参数的最优估计和误差曲线的最佳补偿。实验研究表明,采用遗传算法建立的时栅误差参数辨识模型辨识准确,对时栅误差成分中最主要的二次、四次误差有明显减少作用,其中二次误差减小66.67%、四次误差减小54.05%;与此同时,对一次误差及高频误差成分也有不同程度的抑制。     

基于STM32的时栅转台高精度自动标定系统设计

针对目前时栅转台采用手动方式进行标定,工作效率低、精度难以保证的现状,设计了一种能够进行数据采集、处理和误差补偿的时栅转台自动标定系统。该系统以激光干涉仪作为测量基准,采用了闭环控制技术,进行测量误差补偿。实验结果表明:该系统标定精度高,经过该系统标定后的时栅转台精度达到±2″,且标定速度是手动方式的2倍以上,显著提高了时栅转台标定效率。     

基于参数辨识的时栅转台在线自动标定系统

提出一种在线自动检测时栅转台误差、辨识误差模型系数和误差补偿的方法。该系统由高精度的基准量仪圆光栅、微控制器与上位机组成。在对极点8个待定参数和对极内20个待定参数分别进行傅立叶变换的参数辨识,得到辨识误差模型的系数,实现了实时在线误差补偿。为了检验在线自动标定效果,利用光电自准直仪与基于参数辨识的在线自动标定系统进行对比实验。实验结果表明,采用傅立叶变换的参数辨识,提高了时栅转台标定精度与标定效率,时栅转台的精度达到2.8″。     

直线时栅传感器全误差模型与误差修正方法研究

为了进一步提高直线时栅位移传感器的测量精度,在建立该传感器周期误差、阿贝误差、热膨胀误差的全误差模型基础上,提出了一种组合校准的方法,利用傅里叶谐波分析和材料线膨胀原理对直线时栅的各种误差进行修正,修正后的精度可达±0.5μm/m。实验证明:该方法解决了直线测量中误差难以分离的问题,同时解决了计算机连续自动采样问题,提高了标定效率,使该方法广泛地应用于生产实践成为可能。     

FMS中容栅自动检测系统的理论分析

本文针对FMS中容栅自动检测系统进行了理论分析，介绍了容栅尺的结构和工作原理，分析了其原理误差和刻线误差，从而为提高其测量精度和误修正与补偿提供了必要的理论基础。     

基于二维细分技术的时栅信号处理系统设计

为了提高时栅位移传感器的动态性能及测量精度,提出了一种基于FPGA和二维细分技术的时栅位移传感器信号处理系统;利用二维细分技术对插补脉冲进行倍频处理,降低了对插补脉冲频率的要求,通过倍频后的高频脉冲插补时栅感应信号和参考信号之间的相位差完成了时栅角位移的测量,提高测量精度;该系统在FPGA内基于NiosⅡ软核完成数据的采集和处理,简化了系统,并加入自定义指令提高了数据处理效率;实验表明,采用该系统后,时栅位移传感器在960 MHz插补脉冲下测量误差峰峰值为士1.3",实现了时栅的高精度角位移测量.     

柔性三坐标测量臂几何误差修正

柔性三坐标测量臂用于大尺寸工件的高精度检测及逆向工程,是现代制造业产品精度检测的重要设备。如何做好和完善测量臂误差的分析、检测和补偿,成为提高测量臂测量精度的重要问题。提出了用高精度正交三坐标测量机校准柔性三坐标测量臂关节误差的新方法。通过分析测量臂某一关节的所有几何误差,建立其数学模型;利用正交三坐标测量机和测量臂分别对30个标准球(均匀分布在一个圆上)进行点位测量,测出球心的标称值和实测值,建立了该关节几何误差补偿模型;对工件进行点位测量并进行误差补偿。实验结果表明,通过该误差补偿方法,其最大测量误差从0.04 mm降到了0.003mm,提高了柔性三坐标测量臂的测量精度,同时验证了该误差补偿方法的正确性和有效性。     

高精度磁场式时栅传感器激励信号对测量误差的影响分析及系统设计

为提高磁场式时栅传感器测量精度,本文从理论上推导分析了时栅传感器激励信号源幅值和相位不一致产生的谐波成分对时栅传感器测量精度的影响,提出了一种基于DDS原理并采用完整闭环调节的高性能时栅激励信号源设计方案。以FPGA为微处理器,通过编程分频系统时钟,设置频率、相位控制字对DDS输出的信号频率、相位进行调节,使用增益控制器配合相位累加器实现相位到幅值精确转换。搭建了信号调理电路和信号反馈电路,通过实时对比反馈控制,解决了系统电路阻抗不匹配及干扰导致的激励信号相位不正交性和幅值不一致性的问题。实验结果表明：本文所设计的激励信号源输出信号幅值相对误差只有0.4%,正交性相对误差只有0.05%,并且采用该激励信号源,磁场式时栅传感器测角原始误差从±103.4"降低到了±20.3",有效抑制由于激励信号源幅值不一致和相位不正交带来的谐波误差。经修正后对极内角位移测量误差只有±1.3",整周角位移测量精度达到±2",满足高精度位移测量要求。     

新型大量程X-Y-θ三自由度栅式电容位移传感器设计

提出实现大量程X-Y-θ三自由度位移测量的栅式电容位移传感器设计并分析其测量特性。考虑偏航角误差影响,建立典型直线型栅式电容位移传感器偏航角误差模型,分析偏航角误差对线性位移测量精度的影响。并依此提出X-Y-θ三自由度位移测量新方法,通过和差化积解耦算法分离偏航角误差对X-Y线性位移测量的影响,同时输出偏航角位移量。实验结果表明,所设计的传感器偏航角位移θ为0.2°,0.4°,0.8°和2.0°时,X-Y线性位移信号的非线性度维持在0.24%~0.62%之间,拟合输出偏航角位移信号的最大误差量不超过0.01°。三自由度位移量解耦效果明显,测量稳定性得到显著改善。     

Systematic geometric rigid body error identification of 5-axis milling machines

A 5-axis milling machine has 39 independent geometric error components when the machine tool is considered as a set of five rigid bodies. The identification of the deterministic component of the systematic error is very important. It permits one to improve the accuracy close to the repeatability of the machine tool. This paper gives a new way to identify and compensate all the systematic angular errors separately and then use them further to identify the systematic translational error.Identification based on a new mathematical method and a stable numerical solution method is proposed. The model explains from first principles why some error components have no effect in a first order model. The identification of the total angular systematic errors can be done independently from the translation errors. However, the total translation error depends on the angular errors and the translation errors of each machine tool slide. The main problems solved are to find enough linear independent equations and avoid numerical instability in the computation. It is important to separate numerical problems and linear dependence. The very complex equations are first analyzed in symbolic form to eliminate the linear dependencies. The total of linear independent components in the model is reduced from 30 to 26 for the position dependent errors and from 9 to 3 for the position independent components. Secondly, the large system of linear equations is broken down in many smaller systems. The model is tested first with simulated errors modeled as cubic polynomials. An artifact-based identification is proposed and implemented based on drilling holes in various locations and orientations. New ways to measure the volumetric error directly are proposed. Direct measurement of the total volumetric error requires considerably less measurement than measuring all 6 components of each machine slide especially in the case of a 5-axis machine.     

Measurement error analysis and accuracy enhancement of 2D vision system for robotic drilling

Robotic drilling for aircraft structures demands higher accuracy on industrial robots than their traditional applications. Positioning error measurement and compensation based on 2D vision system is a cost-effective way to improve the positioning accuracy in robotic drilling. In this paper, we first discuss the principle of error measurement and compensation with a 2D vision system for robotic drilling and the determination of tool center point of the vision system so that the Abbe errors are eliminated in the measurement process. Measurement errors due to nonideal measurement conditions, i.e. nonperpendicularity of the camera optical axis to the workpiece surface and incorrect object distance, are mathematically modeled and experimentally verified. A method utilizing four laser displacement sensors is proposed to ensure perpendicularity of the camera optical axis to the workpiece surface and correct object distance in the measurement process, and hence to achieve high accuracy in 2D vision-based measurement. Experiments performed on a robotic drilling system show that the 2D vision system can achieve an accuracy of approximately 0.1 mm with the proposed method.     

基于光场耦合的时栅位移传感器设计

为了实现制造成本低、易加工、高精度的位移测量,设计了一种光场耦合式的时栅位移传感器.介绍了利用基于交变光场的两路驻波合成电行波信号,并通过鉴相的方式实现空间位移转换的测量原理;完成了传感器的结构设计,给出了传感器的系统框图,具体分析了信号处理电路的功能.实验结果表明:光场耦合式的时栅位移传感器在108 mm范围内误差为±0. 5μm.     

高精度激光干涉条纹细分系统

在激光干涉测量中,通常以相位差为90°的两路信号进行辨向计数和细分,而在这两路信号中普遍存在着非正交误差、不等幅误差和直流电平漂移误差,这些误差的存在严重地影响了测量结果的精度。因此,设计了以C8051F单片机为核心的电路补偿模块,采用以Heydem ann模型为基础的误差修正方法,对以上3种误差进行了动态补偿,进而实现了纳米级精度的位移测量。     

一种基于电磁感应原理的角位移参数测量方法

针对目前常规弹药弹体研究领域角位移参数大动态和高精度的测量需求,提出了一种基于电磁感应原理的角位移参数测量方法,并设计了相应的角位移传感器.采用感应线圈获取弹体大转速动态范围内切割地磁场的信息,通过边沿检测和脉冲计数相结合的自适应闭环频率跟踪测量算法测量弹体旋转过程中的实时角位移参数信息,并采用周期清零的方式,消除累积误差.半实物和实物仿真试验结果表明:该角位移传感器不仅能够测量大动态范围内的角位移,拓宽测量范围从600°/s~36000°/s,而且完全消除了测量过程中的累积误差.测量误差小于0.220%,累加误差最大只有0.2°/s,实现了对弹药弹体角位移参数的实时、高精度测量,在姿态测量和地磁导航等应用领域具有一定的工程应用价值.     

Modeling errors for dimensional inspection using active vision

In active vision inspection, errors in dimensional measurements are often due to displacement of the sensor and image digitization effects. Using a model of error in linear measurements based on a normally distributed sensor displacement, uniform image digitization and geometric approximation, the accuracy of measurements from a particular sensor setting can be assessed. In comparison with experimental measurements, this error model demonstrates a high predictive ability. Related experiments demonstrate a procedure for assessing the accuracy of sensor settings providing insight into what sensor settings lead to lower measurement variances and thus higher measurement reliability.     

回转轴运动精度的干涉测量与误差补偿分析

采用激光干涉仪检测混联数控机床回转轴的运动精度,达到对其综合评价的目的,为机床的运动精度误差补偿做准备.对雷尼绍激光干涉仪的结构和角度测量原理进行了详细探讨,分析了干涉仪在回转轴运动精度测量中的主要影响因素和误差诱因;作出了角度测量中正弦近似误差特性曲线,并提出了该测量误差的数学模型;讨论了激光波长补偿的机理,提出了一种通用、简便易行的回转轴角位移精度检测方法.