基于域变换和灰色预测的光栅信号软细分方法*

针对在现有的光栅细分方法中,细分精度和细分倍数受光栅输出信号质量制约的问题,提出了一种基于域变换和灰色预测的光栅信号软细分方法。基于时空域变换原理将空间域的信息变换到时间域,将传统的等时间采样转换为等空间采样得到空间序列,然后根据灰色预测理论模型预测代表光栅空间位移信息的时间量,通过模型残差检验和修正算法不断提高预测的准确度,最后以时间脉冲方式输出光栅细分信号。实验研究表明,采用灰度预测模型对光栅信号实现预测的软细分方法,不受信号的正弦性、正交性和等幅性影响,细分误差精度可以达到±1.8″,细分精度优于信号周期的±5%。     

精密位移动态测量信号特征辨识及细分新方法研究

针对数字化精密机械测量仪器和装备需要解决位移传感器信号的高倍数、高精度细分问题,通过对光栅位移测量模型的研究提出采用测量基准转换的思维方式构建空间序列理论。通过对各运动状态条件下精密位移动态测量信号的多尺度分解实现特征辨识,从而构建用于动态位移信号细分的自适应预测模型及相关细分误差实时修正技术。实验研究表明此方法可以实现圆光栅栅距内400倍细分,角位移细分误差-0.19″~0.27″。     

空间精密位移信号软细分方法研究

为了解决高精度数控装备对位移传感器高分辨力反馈的需求,本文提出通过对空域信号特征的分析,从时空变换理论模型的角度去研究位移测量问题;利用光栅周期性栅线作为等空间位置触发位置采样建立空间序列模型;通过对光栅莫尔条纹信号自适应预测细分模型阶数与系数估计算法完成光栅莫尔条纹信号细分。实验结果证明此方法可以实现光栅莫尔条纹400倍细分,细分精度优于信号周期的±1%。此细分方法利用光栅刻划精度,信号细分精度与光栅信号波形质量无关,在不增加硬件的条件下实现光栅莫尔条纹精密细分,具有重要实际应用价值。     

粗光栅信号全数字化处理法实现高倍数细分

针对在粗光栅软件细分中的信号误差影响细分数的问题,提出了按细分的主要误差来源分类进行数字滤波和补偿的全数字化处理法,以达到粗光栅高精度测量的要求。首先对光栅测量信号进行有针对性的数字滤波,使其波形接近于理想状态。然后根据误差来源进行数字补偿,通过对软件数字细分原理的分析,推导出了原始信号不正交、幅值不等、谐波失真等误差影响细分结果的表达式,并提出了与此相对应的数字补偿方法。最后用软件细分法对测量信号进行高倍数数字细分。滤波前后波形信号的仿真比较结果验证了基于严格线性相位的FIR数字带通滤波器可以有效地屏蔽光栅信号频谱中的高低频干扰和噪声。研究结果表明,在粗光栅满足一定质量的前提下,利用全数字化处理法能够满足500细分的精度要求。     

基于支持向量机时栅数控转台时序预测研究

时栅代替光栅等传统位移传感器运用到全闭环数控转台做角位移检测部件,需采用时空变换算法将时栅的时域信息转换到空域信息。运用时间序列分析出时栅数控转台的测试数据依存特性,采用支持向量机建立起未来测试数据和历史样本的映射关系,从而得到测试数据中隐含的规律。依据过去相关测量值采用支持向量机回归预测下一采样时刻角位移,将原本等时采样的绝对式角位移转换为全闭合数控系统需要的等空间增量式连续脉冲。并且在误差控制方面,采用当前预测值对上一次预测误差进行实时修正,消除累计误差保证测量精度。实验证明支持向量回归的时间序列预测算法能有效保证动态数控角位移测量误差控制在±2.5″以内,实现精密全闭环角位移测量。     

非均匀采样莫尔条纹信号的分析与处理

为了动态、实时地测量光电编码器在变速转动情况下的细分误差,提出了一种莫尔条纹信号的非均匀采样分析与处理方法。利用傅里叶级数原理构造了实际情况下的莫尔条纹信号方程,根据编码器在不同转速下的实时采样,揭示了莫尔条纹信号的非均匀采样特征。鉴于信号采样的非均匀性,采用曲线拟合的最小二乘法重构莫尔条纹信号,利用离散傅里叶变换算法分析重构信号并求出波形参数。通过信号参数与细分误差的关系式,测量了编码器动态细分误差。采用该方法对21位绝对式光电编码器莫尔条纹信号进行了分析和处理,两次测试得到其动态细分极值误差为+3.21″、-4.69″和+3.45″、-4.81″。实验结果表明,该方法可以有效地分析和处理编码器在非匀速转动下产生的变频莫尔条纹信号,精确地测量编码器的动态细分误差,为工作现场编码器误差的实时检测与修正奠定了基础。     

莫尔信号正弦性误差补偿中的波形建模方法研究

针对光栅莫尔信号正弦性误差补偿过程中波形方程建立准确性影响误差补偿效果的问题,提出了一种根据实际细分倍数要求进行波形建模的方法。在基于粒子群算法(PSO)的光栅莫尔信号正弦性误差补偿原理的基础上,说明信号波形方程建立的重要性;针对波形方程建立时谐波选取问题,量化直流漂移及各次谐波含量带来的角度误差情况,为波形方程建立提供参考;利用仿真实验验证了模型建立的有效性,并在FPGA平台上实现PSO算法对信号波形参数的求解,对比波形方程在不同维数的情况下对资源占用的影响;最终搭建光栅系统平台对本文所提方法有效性进行验证,结果表明该补偿方法能够有效减小信号中的正弦性误差成分,细分误差由0.74″降低到0.30″。     

回转零件表面形状测量仪研制

介绍了回转体零件表面测量仪的研究开发,采用激光光栅技术、测量信号采样细分以及计算机应用技术,实现了对孔轴零件表面的圆度和圆柱度误差的测量。     

时栅位移传感器在传动误差检测系统中的应用研究

采用"时域信号、空域分析"的思想,将时栅位移传感器输出的按时采样的角位移传感器信号转换成按空间均分的角位移信号,实现了用时栅替代等空间采样的光栅作为检测元件应用于传动误差测量。搭建了试验装置,绘制了试验的传动误差曲线,由曲线频谱图,分析、确定了误差的主要产生环节。证明了用时栅代替光栅测量传动误差是行之有效的。该研究不仅实现了用成本低廉的时栅代替光栅,而且克服了课题组前期开发的传动误差测试系统的采样不稳定性和速率不同步性带来的误差。     

基于时间序列的时栅数控转台动态建模研究

时栅运用到全闭环数控转台作位置检测传感器时,需采用时空变换算法将时栅的时域信息转换成空域信息。利用时间序列对时栅数控转台的动态特性进行建模,依据一系列过去测量值预测下一采样时刻角位移,将原本等时采样的绝对式角位移转换为全闭合数控系统需求的等空间增量式连续脉冲。介绍了动态模型选择标准、参数估计、模型检验的原理和算法。采用当前预测值对上一次预测误差进行实时修正,以消除累计误差保证测量精度。实验证明了采用动态模型预测算法能保证动态数控角位移测量误差控制在±3″以内,实现了精密动态全闭环角位移测量。