一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法及装置，利用多个均匀布置的读数头进行角度测量并采集测角数据和校准数据；利用运动控制系统完成棱体转动，对校准数据进行扩增；依据测角数据的谐波特性对校准数据进行数据整合，建立角编码器测角误差补偿模型；将整合完成的误差数据带入建立的角编码器测角误差补偿模型中进行测角误差补偿，实现基于多读数头布置下编码器测角误差补偿。本发明专利技术采用高精度的自准直仪对圆光栅编码器进行误差校准并获取相应的校准数据，通过数据整合算法完成误差数据的整合，最后利用误差数据建立的测角误差的补偿模型，实现了多个读数头布局下的测角误差的高精度补偿。测角误差的高精度补偿。测角误差的高精度补偿。

【技术实现步骤摘要】
一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法及装置


[0001]本专利技术属于精密测量
，具体涉及一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法及装置。

技术介绍

[0002]高精度角度计量器件被广泛应用于航空航天、军事工业、精密仪器、微电子等众多高
圆光栅角度编码器因结构简单、体积小、容易实现自动化和数字化等优点被广泛的应用。随着生产力水平的不断提升，各行各业对于圆光栅的测角精度也提出了更高精度的要求。圆光栅角编码器的测角误差主要包括安装误差、光栅制造误差、信号处理误差、环境人为因素影响引起的误差，对于上述误差来源，由于圆光栅的自封闭特性，使得上述大部分误差都呈现出周期性性质。依据这一性质，圆光栅叫编码器的谐波误差理论成为了描述圆光栅测角误差的主要手段，国内外也就这一性质开展了大量研究，提出了不同方案的圆光栅角编码器测角误差补偿方案。
[0003]目前，针对圆光栅测角精度的软硬件补偿技术，国内外开展了大量研究，提出了利用多个读数头布局的硬件补偿方案和构建误差补偿模型，利用补偿算法进行软件补偿的方案。其中利用硬件补偿方案常常会因为成本和读数头安装的限制，不能够无限制的增加，且由于读数头之间的安装偏差，相应阶次的谐波误差也不能够完全被消除。而利用软件补偿，通过拟合误差曲线特征，进行误差的在线补偿，解决了硬件补偿上的限制问题，能够进一步消除装置的残余误差，进一步提升角编码器的测角精度。但仅用软件补偿办法来对单读数头角编码器测角装置进行补偿往往会因环境等因素影响导致精度不足。并且，在对测角误差进行软件补偿时，需要更高精度的测角基准作为校准值，目前常用的办法由跟高精度的光栅角编码器或光电自准直仪。但目前高精度光栅角编码器的精度水平大都在
±1″
，精度更高的光栅大都对我国禁运，不能满足作为亚角秒级叫编码器校准装置基准的要求，而多面棱体和光电自准直仪组成的校准装置的测角精度已经达到了
±
0.1
″
的水平，对于研究圆光栅角编码器的测角误差是足够的。但是，受限于多面棱体面数的限制，利用该校准装置往往仅能获得数量有限的离散数据，这会导致无法将误差曲线的全部特征表现出来，尤其是在高阶谐波误差对测角误差的影响占比较大的时候。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法及装置，用于解决利用多读数头布局硬件补偿方式进行高精度测角中，由于安装误差、环境因素影响而导致存在的残余误差无法进一步消除的技术问题。
[0005]本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法，包括以下步骤：
[0007]S1、利用多个均匀布置的读数头进行角度测量并采集测角数据和校准数据；
[0008]S2、利用运动控制系统完成棱体转动，对步骤S1得到的校准数据进行扩增；
[0009]S3、依据测角数据的谐波特性对步骤S2得到的校准数据进行数据整合，建立角编码器测角误差补偿模型；
[0010]S4、将步骤S3整合完成的误差数据带入步骤S3建立的角编码器测角误差补偿模型中进行测角误差补偿，实现基于多读数头布置下编码器测角误差补偿。
[0011]具体的，步骤S1中，多个读数头均匀布置在编码器的圆周上，多面棱体和编码器光栅码盘与轴系同轴安装并在气浮轴系上做间隔转动，控制多面棱体偏心在2μm内，编码器测角数据由多个均布布局的读数头进行合成输出，校准数据通过自准直仪和多面棱体组成的校准装置读数输出。
[0012]具体的，步骤S2中，在完成一组校准后，控制电机转动并锁紧电机，重新调整多面棱体，将多面棱体转动至1/3个转动间隔处，使多面棱体对准光电自准直仪，完成转动后对多面棱体偏心进行调整，控制多面棱体偏心之在2μm内，重新对准自准直仪器计算棱体转动角度值，角度值由高精度光栅读取，再次执行转动校准步骤，完成多组误差数据的获取和计算。
[0013]具体的，步骤S3中，数据整合具体为：
[0014]对转动多面棱体前后的多组数据进行平均处理，得到每一次转动多面棱体后的校准数据均值，利用傅里叶变换来提取每组数据的0阶谐波误差的幅值和相位；通过消除0阶谐波误差将多组测角误差数据合并到同一坐标系下完成误差数据的处理和整合。
[0015]进一步的，在每次转动多面棱体时，重新对多面棱体的径向跳动进行调整，在进行校准时，保证自准直仪水平轴示值控制在
±
10
″
的范围内。
[0016]进一步的，数据整合后绝对坐标系下角编码器的相对测角误差δ(θ+θ0)为：
[0017]δ(θ+θ0)＝δ(θ，θ0)+ε0‑
A(0)cos(ψ)
[0018]其中，A(0)编码器测角误差谐波分量中直流分量幅值大小，ψ为直流分量的相位大小，δ(θ，θ0)为某一坐标系下角编码器在以θ0为起点时进行测量的相对测角误差，ε0为测角误差中的随机误差。
[0019]具体的，步骤S3中，角编码器测角误差补偿模型采用测角误差直线插补补偿模型，具体如下：
[0020][0021]其中，δ(θ)为数据整合完成的坐标系下在θ位置处的角位置，N为数据整合完成后的数据点序号，θ
N
为第N个数据点的角位置。
[0022]具体的，步骤S3中，角编码器测角误差补偿模型采用测角误差谐波误差补偿模型，具体如下：
[0023][0024]其中，θ为数据整合完成的坐标系下的角位置，k为测角误差的谐波阶次，为各阶谐波误差的相位角，a
k
为各阶谐波误差的幅值。
[0025]具体的，步骤S4中，将整合后的误差补偿数据带入角编码器测角误差补偿模型中，
根据带入误差数据对误差曲线进行拟合，得到相应的转角
‑
相对误差关系，通过将多个读数头测得的相应转角进行输入，得到转角位置附近的误差值，对误差值进行补偿，修正得到圆光栅测角值。
[0026]第二方面，本专利技术实施例提供了一种编码器标定数据扩增和误差补偿装置，包括：
[0027]数据模块，利用多个均匀布置的读数头进行角度测量并采集测角数据和校准数据；
[0028]扩增模块，利用运动控制系统完成棱体转动，对数据模块得到的校准数据进行扩增；
[0029]整合模块，依据测角数据的谐波特性对扩增模块得到的校准数据进行数据整合，建立角编码器测角误差补偿模型；
[0030]补偿模块，将整合模块整合完成的误差数据带入整合模块建立的角编码器测角误差补偿模型中进行测角误差补偿，实现基于多读数头布置下编码器测角误差补偿。
[0031]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0032]一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法，通过在圆周上均布多个读数头，利用多个读数头之间的耦合作用，用以减弱光栅盘的安装误差引起测角误差、光栅制造误差引起的测角误差、信号处理引起的测角误差等周期性误差组成成分，实现了圆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、利用多个均匀布置的读数头进行角度测量并采集测角数据和校准数据；S2、利用运动控制系统完成棱体转动，对步骤S1得到的校准数据进行扩增；S3、依据测角数据的谐波特性对步骤S2得到的校准数据进行数据整合，建立角编码器测角误差补偿模型；S4、将步骤S3整合完成的误差数据带入步骤S3建立的角编码器测角误差补偿模型中进行测角误差补偿，实现基于多读数头布置下编码器测角误差补偿。2.根据权利要求1所述的编码器标定数据扩增和误差补偿方法，其特征在于，步骤S1中，多个读数头均匀布置在编码器的圆周上，多面棱体和编码器光栅码盘与轴系同轴安装并在气浮轴系上做间隔转动，控制多面棱体偏心在2μm内，编码器测角数据由多个均布布局的读数头进行合成输出，校准数据通过自准直仪和多面棱体组成的校准装置读数输出。3.根据权利要求1所述的编码器标定数据扩增和误差补偿方法，其特征在于，步骤S2中，在完成一组校准后，控制电机转动并锁紧电机，重新调整多面棱体，将多面棱体转动至1/3个转动间隔处，使多面棱体对准光电自准直仪，完成转动后对多面棱体偏心进行调整，控制多面棱体偏心之在2μm内，重新对准自准直仪器计算棱体转动角度值，角度值由高精度光栅读取，再次执行转动校准步骤，完成多组误差数据的获取和计算。4.根据权利要求1所述的编码器标定数据扩增和误差补偿方法，其特征在于，步骤S3中，数据整合具体为：对转动多面棱体前后的多组数据进行平均处理，得到每一次转动多面棱体后的校准数据均值，利用傅里叶变换来提取每组数据的0阶谐波误差的幅值和相位；通过消除0阶谐波误差将多组测角误差数据合并到同一坐标系下完成误差数据的处理和整合。5.根据权利要求4所述的编码器标定数据扩增和误差补偿方法，其特征在于，在每次转动多面棱体时，重新对多面棱体的径向跳动进行调整，在进行校准时，保证自准直仪水平轴示值控制在
±
10
″
的范围内。6.根据权利要求4所述的编码器标定数据扩增...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁建军，刘昕东，李常胜，逄增江，曹永刚，金雨生，仙丹，李冠群，
申请(专利权)人：青岛雷顿数控测量设备有限公司，
类型：发明
国别省市：