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高分辨率,高精度角度编码器.doc

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高分辨率,高精度角度编码器机械制造业作为基础工业,其发展在国民经济中有着举足轻重的作用,而精密测量技术是它发展的基础和先决条件。测量的精度和效率在一定程度上决定了制造业乃至技术发展的水平。元素周期表的发明者门捷列夫说过:“从开始有测量的时候起,才开始有科学。没有测量,精密科学就没有意义” 。新的测量方法标志着真正的进步,测试技术的水平是衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。仅就几何测量仪器的发展来看,在19世纪中叶以前,机械制造业中的主要测量工具是钢板刻线尺,测量精度为1mm。机械式测量器具,如游标卡尺和千分尺的出现,将测量精度提高到了0.01mm。量块出现以后,采用量块作为长度基准,大大推动了微差测量法的发展,将测量精度提高到了微米级。进入20世纪30年代、40年代以后,出现的电动量仪、光学量仪和气动量仪,以及诞生于近20年的激光干涉仪,隧道扫描显微镜,除继续使用机械式测量器具以外,还逐渐采用了基于几何光学与物理光学原理的光学量仪,这都极大的促进了当时技术的发展,为几何量的测量开辟了新的。随着科学技术和制造业的发展,各个领域对测量微小尺寸的要求越来越迫切,传统的测量技术和设备难以在精度、效率及自动化程度方面完全满足要求,甚至根本无法实现。显然,融合当今的最新科学理论和技术成果,开发高效率的智能化精密测量系统有着重要的理论意义和实用价值。角度是一个重要的计量单位,角度测量是计量技术的重要组成部分。不仅有以检测角度为目的的角度检测,还有为了检测的方便和可靠,将其他物理量也转换成角度量来进行检测的角位移检测。生产和科学的不断发展使得角度测量越来越广泛地应用在工业、科研等领域,技术水平和测量准确度也在不断提高。角度测量技术按照测量原理可以分为三大类:机械式测角技术、电磁式测角技术和光学测角技术。机械式和光学测角技术的研究起步较早,技术也已经非常成熟。光学测角方法比一般的机械和电磁方法有更高的准确度,而且更容易实现细分和测试过程的自动化,但使用我公司研究新的电感式测角技术将精度提高至±3″。在高精度角度测试技术领域,各种新型的测角技术不断涌现,成为高精度测角技术的主流方向。随着电子计算机技术的蓬勃发展,使得以近代波动光学为基础的光电检测法得以实现自动化,这极大地扩充了角度测量的应用范围。按照被测角性质可以分为静态角度测量和动态角度测量两种。高精度角度测试技术在静态角度测试领域己经日趋成熟,各种测试理论和方法日益完善。然而,实现动态角度的高精度测量,是测角技术领域的一个难点,也因此成为国内外测角技术研究的一个热点。国内外角度测量的研究现状1 机械测角法测角技术中研究最早的是机械式测角法,主要以多齿分度盘为代表,它是一种基于机械分度定位原理的圆度分度技术。最早的多齿分度盘的雏形出现在20世纪20年代,完整的圆分度器件是由美国Gate公司研制成功的,并于1960年获得该技术专利,其分度为士o.25” 。前苏联考纳斯机床厂研制的YLUI-05型角度测量仪最小分度间隔为15” ,测量误差不大于O.1” 。由于多齿分度盘的齿数不能无限增加,因此细分受到限制,由此而出现了差动细分方法。原理上,差动细分技术可以设计出更多层的多齿分度台,但是,由于在实际加工时,各层之间的同轴度难以保证,齿盘起落机构复杂等原因而难以实现。上世纪六、七十年代,我国多齿分度装置的研制工作普遍展开,中国计量科学研究院实验工厂研制的差动细分多齿分度盘,其任意角度间隔的分度误差不大于0.2” 。陕西机械学院研制的弹性多齿差动分度台,其分度误差不大于0.17” 。2 电磁测角法电磁测角法是最近几十年发展起来的测角技术,主要应用于角度的进一步细分,使分度和测量范围增大,提高仪器的分辨率。电磁式测角技术以圆磁栅和感应同步器为代表,圆磁栅测角法是将圆磁栅连同被测件一起旋转,利用放磁头将磁栅上的记录信号拾取出来进行处理。按信号拾取的方式不同,放磁头可以分为静态磁头和动态磁头两种。静态时准确度往往难以提高。动态时降低了对录磁准确度的要求,可以获得较高的分度准确度。感应同步器测角法是一种电磁感应位置检测元件,它是美国Farrand公司根据美国空军提出的要求而发明的,根据正弦、余弦两绕组的电压和相位进行比较,利用电磁感应将位移量转化成电信号,并以数字脉冲形式输出基准量。由于感应同步器在工作时可以多个节距同时起作用,具有“平均效应’ ’,因而具有较高的分度准确度。无论是机械式还是电磁式测角法,它们的主要缺点大多为手工测量,不容易实现自动化,而且测量精度也受到机械加工精度的限制。3光学测角法光学测角方法历来以其极高的测量准确度受到人们的重视,光学测角法的应用也越来越广泛。目前,光学测角方法除众所周知的光学分度头法和多面棱体法外,常用的还有光学内反射法、激光干涉法、圆光栅法、环形激光法、光电轴角编码器法和光电自准直仪法等。这些方法大多可以应用于小角度的非接触测量中,并达到了很高的测量精度和灵敏度。1.光学内反射法内反射法角度测量技术就是利用全反射条件下入射光变化时反射率的变化关系,通过反射率的变化来测量入射角的变化,由P.S.Huang等人提出来的,如图 1.1所示。利用光线从光密媒质进入光疏媒质时,当入射角在临界角附近变化,反射率发生急剧变化的物理规律,通过反射率的变化来确定入射角度的变化。用该方法制成的测角仪体积可以做得很小,因此特别适用于较小空间中小角度的在线测量,可以做成袖珍式测角仪,而且结构简单,成本低,但其测量范围也很小,因此只能用于小角度测量,3弧分范围内分辨率可以达到 0.02弧秒。台湾的chin等人在此原理基础上,提出一种全内反射外差干涉测角法,将传感器的测角范围扩大到10度,最佳分辨率可达8 ×10-5度。2.激光干涉法激光干涉法大多是以迈克尔逊干涉仪作为基本原理,将角度的变化转换为长度的变化来进行测量,如图2.2所示。光源经过角椎棱镜反射得到的光路随着转角的变化而变化,干涉条纹也随之移动,测得条纹的移动量,即可获得转台的转角大小。这种技术已经发展的相当成熟,美国、日本、德国、俄罗斯等国家早已将激光干涉小角度测量技术作为小角度测量的国家基准,为了增强干涉仪抗环境干扰的能力,可以采用双频激光干涉测量法,用双频激光代替普通光源。用这种方法测量平面角,灵敏度可以达到0.002” 。但这种方法的测量装置体积庞大,价格昂贵。3.圆光栅法圆光栅是目前角度测量的主要器件之一,对于高精度、高分辨率的角度测量领域,圆光栅测角技术已有比较广泛的应用,如光栅刻度机、光栅编码器、光栅度盘检查仪、光栅分度头等。它的测角原理是将圆光栅和转台同轴安装,通过测得光栅转过的转矩数得到转角大小。该方法主要是在静态下的相对角度测量,动态测量时,在lO转/秒的转速下,要想达到1t 的分辨率都非常的困难。我国航天部第一计量测试研究所研制的精密数显转台,是具有高准确度、高分辨率、多功能的测角仪器,静态测角分辨率为O.Ol¨,一次静态测量任意角的不确定度为0.22 ”,仪器用比相法检测圆光栅,动态检测圆光栅的直径间隔误差不确定度为0.16 ”。圆光栅的缺点是光栅与转台的对心准确度要求高,高转确度光栅的制作加工困难。4.环形激光法环形激光是目前光学测角法中测量准确度最高的方法,转速测量相对准确度可达10-6。其角度测量的基本原理如图 1.3所示,当被测角度量具棱面法线与量具棱面法线相重合的瞬间,被测角度转换成由光电自准直仪产生的光电流触发和停止脉冲所需的时间间隔,接口装置在此间隔内对环形激光脉冲进行读数。目前还只是少数国家掌握这种技术,研究最多的国家是德国和俄罗斯。圣彼得堡电子大学研制的精密环形激光测角计可用于光学多面体和光学编码器的校准、旋转物体的外部角度测量,和测角仪本身的内部旋转角测量。该装置在1转/秒的转速下,测量转确度达到O.1“。该项技术测角的最大优点是容易实现自校,且可以实现高速转角测量,动态响应范围宽。缺点是只能实现动态测量,加工工艺难以保证,成本高。这是环形激光器没有得到大量应用的最主要原因。5.光电轴角编码器光电轴角编码器是采用光电转换技术将角度转化成相应的数字代码的装置,根据提取信号的方法分为增量编码器和绝对编码器两种。增量型编码器的位置由原位基准的计数脉冲累计来决定位置,读数状态要始终连续,不可中断,抗干扰能力差,主要用于短时的相对位移或速度检测。以日本产高精度增量型角度编码器比较常用,其分辨率和角度积累误差都是几秒量级。绝对型编码器是利用自然二进制或循环二进制方式进行光电转换,在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。它的抗干扰能力较强,且没有累计误差。绝对型测角编码器在我国研究的比较早的是长春光电机械研究所。1964年长春光机所研制出了我国第一块18位绝对式码盘,接着研制出了18位绝对式编码器,用于电影经纬仪上;1988年研制出了23位绝对式编码器;1996年,又研制出25位绝对式编码器,采用自然二进制与周期二进制混合编码,采用单片机软件细分,分辨率为O.039” ,测角均方根误差为士0 . 7”。无论是增量型还是绝对型光电轴角编码器,虽然它们都可以直接输出数字量,多被用于角度的检测,但其分辨率总是依赖于机械放大装置。6.光电自准直仪光学自准直仪是利用光学自准直原理,利用小角度测量或者可以转换为小角度测量的一种常用测试仪器。其基本测角原理如图1.4 所示。当反射镜与光轴垂直时,则光束将反射回其本身,如果反射镜倾斜一个角度目,则其反射光将以角度2秒反射回来。根据反射光的倾斜程度,自准直图像会以更大或更小的角度发生位移。自准直仪的应用领域非常广泛,利用光电元件作为探测器件的新型光电自准直仪是自准直仪发展的新方向,它具有传统光学自准直仪所无法比拟的优势。光电自准直仪的基础理论研究及测量仪器的研制在国外是比较早的,而且比较完善,如在日本、美国、英国、德国等国家,尤其在日本、德国,由于一向重视光电子技术的应用,因而在这一方面的发展更为瞩目,从光源到光电检测元件最为齐全,光电检测技术应用也较普遍。我国光学自准直仪的生产厂家不少,型号也较多,但光电自准直仪的发展则属另一种情况。北京计量仪器厂与天津大学精仪学院联手,于70年代末研制成功了702型光电自准直仪,并以每年50 台的规模投放国内市场,该仪器测量范围为10',误差为士larcsec。在光电检测中,典型的代表是采用以CCD技术为基础的图像传感器测量方法。以 CCD为传感器的各种非接触尺寸以及角度检测方法,较之传统的机械式、电磁式、光学式测量方法,实现了尺寸广泛检测的智能化、自动化。采用CCD进行测量分为静态和动态两种测量方式,所谓静态测量是指CCD各个像元接收到的信号在时间上是不变的,或者说,在其积分时间内变化足够慢以致可以忽略;动态测量是指CCD各个像元接收到的信号在时间上变化很快,即在积分时间内这种变化不能忽略。本课题正是致力于结合CCD技术,提出一种新型的角度测量装置与测量原理,实现微小角度偏转的非接触、在线、动态检测。项目来源及研究的主要内容随着工业技术进步以及自动化程度的日益提高,对工业在线小角度测量技术提出了越来越高的要求,传统的测角方法尽管测量精度很高,但由于系统复杂、体积庞大、对试验环境要求高,不适应在线非接触检测这一要求。本课题以国家发明专利《用光传感器阵列检测角度的方法的研究》(专利号:zL02137635.2) 为背景,研究的主要目标是基于线阵CCD,提出一种新型角度检测方法及装置,研制一套可实现动态、非接触式小角度测量系统,该系统具有高速度、高准确度的特点。该检测系统可以应用于纺织机械自调匀整系统中棉条厚度的在线检测与控制,以及其它小角度位移测量场合。本文的研究工作主要包括以下几个方面的内容:1.测试系统的构建:主要包括基于线阵CCD实现微小角度测量的可行性论证、数学模型的建立、光路结构 ,机械系统等子系统设计以及关键技术研究;基于复杂可编程逻辑器件CPLD和硬件描述语言VHDL,CCD驱动信号的设计与实现;2.信号处理模块设计:基于单片机系统,CCD视频输出信号的预处理、二值化处理电路设计;高速脉冲计 数电路的设计、系统监控电路、串行通信电路接口设计以及软件的实现;基于VisualBaLsic6.0,上 位机显示、控制界面设计;3.试验结果以及误差分析。
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