光栅测长仪动态误差测量实验研究_图文

1、合肥工业大学硕士学位论文光栅测长仪动态误差测量实验研究姓名:刘春山申请学位级别:硕士专业:精密仪器及机械指导教师:陈晓怀20050601 第二章光栅测长仪系统的测量原理及误差分析2.1光栅式测量的基本原理自本世纪五十年代初光栅技术引入长度计量领域以来,由于光栅式测量系统具有的许多优点,所以目前在线值测量、角分量测量、位移量同步比较测量以及机床数控等各个方面得到了广泛的应用,具有很高的实用价值。计量光栅技术的发展,促进了长度计量领域内数字显示、自动测量、动态测试及微机控制等技术的发展。光栅按工作原理可分为物理光栅和计量光栅,前者主要用于光谱仪器,作色散元件,后者则主要用于精密测量和精密机械的自动

2、控制等。因为本文研究的光栅测长仪属于长光栅,所以这里只介绍计量光栅中的长光栅。 图2-2莫尔条纹形成原理图2-1黑白长光栅尺长光栅的基本工作原理是利用光栅的莫尔条纹现象进行位移测量的”,图2-1所示为一块黑自型长光栅尺。光栅上的刻线成为栅线,栅线的宽度为a,缝隙宽度为b,一般都取a=b,而8+b=W,W称为光栅的栅距<或光栅的节距,把两块黑自型长光栅尺刻线面相面对迭合,并使两块光栅尺的栅线形成很小的夹角o,这时,在近于与栅线垂直的方向上就出现明暗相间的条纹,如图22所示。这种条纹被称为莫尔条纹。当这两块刻线面相对迭合的长光栅沿垂直于栅线方向作相对运动时,莫尔条纹便沿着与栅线方向近似相同的

3、方向相应地移动。两块光栅尺相对移动过一个栅距,莫尔条纹移动过一个条纹间距。显然在两块光栅的背面设置一个光栏,并用光电元件接收透过两块光栅的光能量,则光电元件的输出信号将随着两块光栅尺处于不同的相对位置而有强弱的变化。并且,光电元件输出信号的周期数必将与两块光栅尺相对移过的栅距数相同步。即两块光栅尺相对移过一个栅距w,莫尔条纹移过一个间距,光电元件输出的电压信号u变化一个周期2。如图2-3所示。 1光栅尺2控制板3滑块4刚带5光概信号输出线6光栅数显表7导轨8电视驱动系统9基座lO工作台图25光栅测长仪结构图如图26所示,从光源(发光二极管发出的光照射到标尺光栅上,当标尺光栅与指示光栅相对平行移

4、动时,在四个光电元件上产生彼此相差90。的四路信号,指示光栅图2-6光栅测长仪原理图光栅输出的这四路相位以此相差906的信号,可表示为驴Uo+吣in等驴+n(等+争乩+%c。靠铲Uo+吣in蟹圳地_Um sin(等(2-4 (25 (25 如上一章所述,测长仪光栅传感器输出A.B两路相位相差n/2的正弦信号,如图3-4所示,即为本实验用的光栅测长仪输出的A,B信号,此信号是用示波器获取的。 图3-4光栅测长仪输出的AB正弦信号正弦波转换为方波的途径也有许多种,例如可以利用EXE.051/101光栅插补器进行转换。EXE一051/10l光栅插补器是用于对光栅传感器输出的两路相差90。IF弦波信号

5、进行数字化细分处理。该光栅插补器对输入的正弦波信号进行5细分或lO细分后输出两路正交方波信号,送计算机或NC系统进行运算和处理操作。其转换原理图如图3.5所示。输出信号拉座厂葡褫厂面7T1贾11一r1r缸I窿鬻睦图3-5光栅插补器波形转换原理光栅插补器是专门进行光栅波形转换一个仪器,但是从经济和方便角度考虑,本文利用自行设计了一套波形转换装置,利用运算放大器的信号转换功能将光栅输出的正弦信号转换为方波脉冲信号。图3-6为运算放大器的管脚结构定义及原理图。10UT 1jN一1IN+ VCC 2IN+ 2IN一20UT ToP VIEW40UT4IN一4lN+GND3lN+3lN一30UTlMlN

6、+图3-6运算放大器管脚定义及原理将光栅输出的A信号及地信号接入pin3,pin2将B信号及地信号接入pin5,pin6,则经过运算放大器转换后,从pinl和pin7输出方波脉冲信号如图3.7所示:图37正弦波信号转换后豹方波信号正弦波信号AB经运算放大器转换后输出两路方波信号,这两路方波信号仍然具有90。的相位差,故称这两路方波信号为A,quad.B方波脉冲信号。有了这两路方波信号,又如何连接到激光干涉仪实现同步测量,图3.8为10887A 激光卡(安装在计算机上,中间的接口为A-quad.B脉冲连接器(其电路如图3-9,可输入A.quad,B脉冲信号。这样光栅的测量数据和激光干涉仪的测量数

7、 据就可通过计算机进行处理并显示。 图3-810887A激光卡脉冲连接器图3-9A-quad.B输入电路圈3.2。4动态误差测量软件包介绍及参数设置文献231详细地描述了软件的技术发展。在开始这个测试之前,用户应该通过激光干涉仪软件包首先设定编码器分辨率、误差单位等参数如图3.10所示,确认后设置测薰参数:a起始位置;b终止位置;c间隔距离:d每个方向的目标位置数;e周期数;f运行模式,参数a.d定义了目标项目,图3一】l显示了该软件包重要参数的设置界面。 图3.10软件包参数设置界面1 囤3-1l软件包参数设置界面2两个目标位置之问必须有统一的间距,否则激光卡将不能正常工作。不过与此相关的是

8、来阐明选择目标的问题。评定位置误差的测试是根据IS0230.21291标准的要求进行的。此标准推荐的目标位置应该是随意的,两目标位置之间的距离是任意非统一的。这样做的目的是为了确保周期误差能充分提取。然而,即使目标位置是随意的,不可能所有相对周期误差能得以确认。所以选择恰当的目标间隔增量是必要的,参考【22】对这个问题做了详细的研究。不过,选用恰当间隔等间距的目标位置,测试时能取得周期误差,从这个意义上讲,在这项研究工作中,取lmm间隔的目标位置来进行测试,对获取相对周期误差是足够了。起始位置和终止位置分别作为测试时导轨上的第一个目标位置点和最后一个目标位置点。为简便起见,起始位置的值通常情况

9、下设为零。目标位置点之间的间隔是一个恒定值。所有这些参数必须遵循下面这个公式:目标数量/每个方向=壁堕竺善三掣+1(3.11日J正E目标位置的间距必须是译码器分辨率的确切倍数,此目的是为了产生脉冲数的整数倍。译码器的脉冲数表示如下:坳=丽筹鬻(3-2一译码器分辨率(mml 最后,通过键盘输入气温,气压和空气相对湿度以及测量机的温度给控制软件,以补偿空气中激光波长和材料热膨胀之间差异。众所周知,激光源的波长通常被定义为真空中的波长v。在真空中此值是一个常数,但是在空气中,波长会受到大气折射率的影响。由于大部分激光干涉仪系统是直接暴露在空气中的,所以校正x v和空气中波长a是非常必要的。这称作为空

10、气补偿或波长补偿。空气的折射率13表示如下:H:竺(3-3Act11的值是一个气温,气压,相对湿度和空气成份的函数。折射率在软件中用Edlen公式计算f30】。此公式提供的n值作为气温,相对湿度和气压的函数。通过测量空气条件(温度,气压和空气的相对湿度,用Edlen公式计算的折射率具有大约0.1ppm的误差。至此,就可以把HP5529A双频激光干涉仪按图3.3实验装置原理图的要求按装在光栅测长仪上,将光栅编码器输出的正弦信号经信号转换后接入A-quadB输入激光卡,这样就实现了整个光栅信号线路连接及整体架构的实现,其实物图如图3.12所示。 图312光栅测长仪动态误差测量实验装置实物图此时选择

11、和设置适当的软件参数,就可以利用该装置对光栅测长仪的位置误差进行动态测量,利用该程序将光栅测长仪的数据和激光干涉仪的数据同步显示并对比,对比的结果及光栅测长仪的动态误差,在下方同步绘制出来,如图3.13所示。 图3.13光栅测长仪动态测量数据及误差如前面所述,我们将光栅信号引出,用光栅系统译码器产生的aquadb脉冲信号来触发双频激光干涉仪读数,让光栅测长仪移动,即可同步得到光栅和激光干涉仪对同一位置的读数,二者之差即为光栅测长仪的实时动态误差。利用激光干涉仪软件动态显示及锁存光栅和激光的读数及其二着之差,同时该软件绘制的光栅位置动态误差曲线图。3.3光栅测长仪动态误差实验结果3。3.1参数设

12、定及误差曲线图的绘出 换结果如图2.3所示。由图4.3可看出,原信号中含有两个周期误差分量,频率分别为10Hz和50Hz,另外还存在噪声信号。可见傅立叶频谱分析方法在频域上的分析效果非常好,但是它不能同时提供时域上的信息。-j L /。k 0102030Io 7。90'图4-3信号的傅立叶分析结果2小波分析方法进行误差分解与溯源利用Matlab工具箱Daubechies小波系中的db3函数,对上述误差信号进行多尺度分解,图4-4为4层多分辨分解结果。 图4.4小波多分辨分析结采第一层分解,从原始信号中分解出了噪声分量dl,在最后一层的分解结果中,得到了低频分量ft.4,其频率为10Hz,均值为2,幅值约为1,并且滞后了l/4周期,说明原误差信号中存在不变系统误差2和正弦周期误差sin(20n t+n /2。从a2和d4的放大图可以看出,其周期之比为5:1,则d4的频率为50Hz,o拈:¨,帖o§ 图4.7光栅动态误差傅立奸燮换 图4-8傅立叶变换后放大图37如此,确定性动态误差分量的函数表达式5-9修改为;O.21-I-7.4sin(O.035t-74。(t单位ram(5-10通过此表达式就可以对综合动态