一种基于圆光栅组合均布读数系统的多阶误差补偿方法

本发明涉及精密位移测量，特别涉及一种基于圆光栅组合均布读数系统的多阶误差补偿方法。

背景技术：

1、圆光栅编码器由于其高分辨率、高精度、结构简单和响应速度快等特点，使其在高精度分度盘、精密转台等高精度测量领域得到了广泛的应用。然而，圆光栅编码器中存在着光栅安装偏心、读数头安装偏差等确定性的随机误差，对测量精度会产生较大的影响。因此对圆光栅测量误差补偿方法的关键技术进行研究，对提升我国相关领域的核心竞争力和创新力意义重大。

2、在圆光栅测角系统中，偏心误差往往是测角系统精度的最大影响因素，对于消除这种周期性谐波误差的算法，目前较为普遍的方法是采用均布读数头的结构，对多读数头的测量数据进行等权重处理来得到最终读数。对于等权重数据误差的处理方法来说，该方法虽然过程简单，具有很好的实时性和可实现性，可以在一定程度上抑制特定频率的谐波误差，但由于其没有对各组误差特性充分利用，仅做了简单的数据处理，谐波误差幅值仍残留了原始幅值的50％，其误差抑制效果并不理想。

技术实现思路

1、为了克服上述现有误差处理方法的不足，本发明通过对均布读数的多种组合测量方法的研究，并对目前常见的等权重数据处理方法进行了分析与讨论，针对其所存在的特定误差幅值残留的问题，基于残留误差特性提出了递次多阶误差补偿方法，并对组合均布测量系统数据处理过程进行了优化。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种基于圆光栅组合均布读数系统的多阶误差补偿方法，具体步骤如下：

4、s1、设置组合均布读数系统，将测量得到的单个读数头的数据与真实值对比，进行误差分析。

5、s2、在设置好的组合均布读数系统的基础上，将处理得到的单个读数头的平均数据与真实测量得到的单个读数头的数据对比，进行误差分析。

6、s3、利用组合均布读数系统对单个读数头的测量数据进行校准，再利用校准后的数据对公共读数头的测量结果进行误差补偿。

7、进一步地，步骤s1具体为：

8、s1.1、在圆光栅盘上设置两组均布读数头组，分别为三等分均布读数头组和四等分均布读数头组，这两组均布读数头组都有一个相同的公共读数头，记为公共读数头o1，将这两组读数头进行叠合同时测量。

9、s1.2、每个读数头单独测量，任意一个读数头的单独测量结果m1与测量真实值mtrue的偏差正是所有阶次谐波误差的合计e0：

10、

11、

12、其中：ak为第k阶谐波误差幅值，tk为第k阶谐波误差周期，为第k阶谐波误差初相，ak、bk为第k阶谐波误差幅值。

13、s1.3、将每个读数头单独测得的数据，在每个子均布组内分别对其测量数据求取均值，n个读数头的测量均值mn与测量真值mtrue的偏差为所有nk次谐波误差的合集。

14、进一步地，步骤s2具体为：

15、s2.1、采用n个读数头的测量均值mn对单个读数头的测量结果m1进行校准，即两者求差，则其差值ecalib-n为所有误差成分中的非nk次谐波误差和：

16、

17、上式中，fk(θ)(k＝1，2，3…)为：

18、

19、s2.2、将误差成分合集ecalib-n与e0进行对比，仅残缺其中的nk次谐波误差：

20、

21、进一步地，步骤s3具体为：

22、s3.1、用m3去校准公用读数头o1的测量结果m1，得到非3k次谐波误差的叠加ecalib-3：

23、

24、即ecalib-3为3k-2、3k-1(k为正整数)次谐波误差的叠加。

25、s3.2、使用四均布均值测量结果m4去校准m1，得到的测量校准误差曲线ecalib-4为非4k谐波误差的叠加：

26、

27、即ecalib-4为4k-3、4k-2、4k-1(k为正整数)次谐波误差叠加。

28、s3.3、对上述三、四组合均布读数系统使用上述误差修正原理对误差模型进行仿真计算。对三均布测量结果求取误差校准曲线ecalib-3，对各个误差曲线进行傅里叶展开。

29、s3.4、将三均布误差校准曲线ecalib-3中的非4k次谐波滤除，以获得其中的4k次谐波成分的误差量值，用e4k表示获得的校正谐波误差值，则e4k为：

30、

31、s3.5、将所得到的校正谐波误差e4k对四均布测量结果m4进行校准，校准后得到的m4′是四均布测量结果m4的误差与校正谐波误差e4k的叠加。对各个误差曲线进行傅里叶展开。

32、s3.6、使用校准后得到的数据m4′对公共读数头o1的测量结果进行误差补偿，则可以得到较高精度的测量值。

33、与现有误差处理方法相比，本发明的有益效果是：

34、(1)采用三等分均布和四等分均布这两组均布读数系统在圆光栅测角系统中进行叠合同时测量，能够递次对公共读数头的测量数据进行修正和校准，能够抑制绝大多数阶次的谐波误差。

35、(2)采用递次多阶误差补偿的方法，将误差成分合集进行并集处理，并对公共测量数据进行误差修正，能够在一定程度上解决抑制特定误差幅值残留的问题，与传统等权重数据处理方法相比具有一定的优势，为圆光栅测角系统的发展提供了一种新途径。

技术特征：

1.一种基于圆光栅组合均布读数系统的多阶误差补偿方法，其特征在于，具体步骤如下：

技术总结
圆光栅测角技术是超精密转台测量系统重要组成部分，为了提高超精密转台角度测量系统的精度，针对多读数头组合均布测量中存在特定误差幅值残留的问题，本发明提出一种基于圆光栅组合均布读数系统的多阶误差补偿方法。基于圆光栅测角原理，对圆光栅测量系统中的误差来源及其特性进行归纳分析，将误差按照频率关系进行划分并以此为根据搭建误差数学模型，通过数学推导和仿真计算指出多读数头均布组合实现多阶误差补偿的原理。结果表明，相比于传统的光栅读数头测量系统，其测量精度得到了提高，实现了高精度角度测量，证明了多阶误差补偿方法的有效性。

技术研发人员：王辉,杨嘉旭,叶国永,刘红霞,张亚琳,王鹏鹏,张海洋,费致根,吴深,肖志玲
受保护的技术使用者：郑州轻工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16