基于預測理論的精密角位移動態(tài)測量及其實驗研究.pdf

1、位移測量是最基本、最普遍的測量。從宇航飛行衛(wèi)星探測到超大規(guī)模集成電路生產，從物質結構研究到納米技術的探索，無一不需要高精度位移測量。在精密測量中用得最廣泛的是以光柵為代表的柵式位移傳感器，但在我國，高端位移傳感器目前絕大部分依賴進口，不僅價格高，而且進口某些高精度傳感器常常受限，這些不利因素直接制約著我國制造業(yè)和國防工業(yè)的發(fā)展。
　　作者所在課題組自1995年開始從事精密位移傳感器及相關技術的研究，研制出了一種具有自主知識產權全新

2、測量原理的精密位移傳感器--時柵。根據“用時間作為空間位移測量基準”的思想，使得時鐘脈沖具有唯一的空間當量，從而實現(xiàn)“采用時間測量位移”的新方法。目前場式圓時柵的檢定精度已達到±0.8”，直線時柵的檢定精度達到±0.5μm/m，而分辨力分別達到0.1”和0.1μm。
　　由于時柵是采用時間測量空間，按時間均分的等時采樣，因此時柵屬于絕對式靜態(tài)位移傳感器。而在動態(tài)測量和實際生產應用中，有許多場合需要按空間均分的等空間間隔采樣，這就需

3、要將時柵的原始絕對角位移轉化為空間均分的增量式脈沖信號。在三項國家自然基金的支持下，本課題引入預測理論實現(xiàn)時柵位移傳感器的增量式動態(tài)測量和普通柵式位移傳感器的細分方法設計，并由此進行相關預測理論、算法和實驗的研究，主要研究和創(chuàng)新成果如下：
　　(1)從空間和時間的角度研究兩種位移測量模型。由此展開對普通柵式位移傳感器和時柵位移傳感器測量模型和測量原理的深入分析和討論。從深層次上闡述柵式位移傳感器和時柵位移傳感器在測量原理及物理意義

4、上的相關性和差異性。
　　(2)提出將預測理論用于精密位移測量。從數(shù)學角度對經典的預測理論進行分析和對比，尋求用于精密位移測量的最佳預測理論，從理論上證明了預測理論用于精密位移測量的有效性和可行性。
　　(3)提出了按時間序列生成連續(xù)空間位置信號的新全閉環(huán)控制方案。結合預測理論和時柵的測量原理，從數(shù)學和運動學的角度，采用時序理論對預測回歸模型進行辨識、建模、檢驗和優(yōu)化，其中還包含對預測回歸模型的定階和參數(shù)估計。為了獲得最佳預

5、測效果，提出了自適應時序預測模型，實現(xiàn)了預測模型參數(shù)的時變性。其目的是通過時柵測量得到的原始絕對式位移信號實時、有效地預測下個測量周期的位移值，并將此預測增量值通過脈寬調制方式轉換成連續(xù)空間均分的預測脈沖信號，完成原本靜態(tài)測量式時柵用于全閉環(huán)數(shù)控轉臺的動態(tài)位置反饋，解決了時柵動態(tài)位置的反饋誤差問題和數(shù)控系統(tǒng)接口兼容性問題。
　　(4)研究預測技術用于滾齒機床傳動鏈誤差檢測。將時柵用作滾齒機床傳動鏈傳動誤差的檢測元件，采用預測技術設

6、計了一套用于傳動鏈高速端時柵和低速端時柵測量的軟同步技術。解決了測量過程中出現(xiàn)的時－時、時－空和空－空不同步問題，實現(xiàn)了傳動誤差的同步精確測量。
　　(5)提出了按空間序列生成連續(xù)反映空間位置信號的時間序列新方案。采用時空對偶方式研究利用時間序列理論構建空間序列理論，建立狀態(tài)時間模型和空間序列模型，以完成對時間量的精確預測。從而提出一種基于時空轉換技術的柵式位移傳感器信號細分新技術。這種細分方法突破傳統(tǒng)細分方法的思維限制，從原理上

7、創(chuàng)新，是一種與柵式位移傳感器輸出信號的正交性和等幅性無關的新技術。
　　(6)研究基于測量基準時空變換技術具有空間意義的時間脈沖產生機理。利用時間脈沖實現(xiàn)對時柵空間脈沖的實時細分和對普通柵式位移傳感器脈沖信號的細分方法研究，以及相關的細分誤差實時修正技術的研究。
　　(7)研究了動態(tài)和靜態(tài)標定實驗中的誤差補償。提出了基于多位置測頭法和傅立葉級數(shù)諧波修正法的靜態(tài)測量誤差修正和基于離散標準量插入的動態(tài)測量誤差修正法，并通過數(shù)學和

8、運動學角度建立起一系列基于預測理論的精密位移測量的誤差修正理論與方法。
　　在上述研究工作中，最成功的理論與技術成果有：
　　(1)建立了用于精密位移測量自適應回歸預測理論。結合精密位移測量和預測理論重點研究了應用最多、最廣的多元統(tǒng)計回歸、時間序列和支持向量機，并在系統(tǒng)分析了三種預測方式的優(yōu)點和缺點的基礎上，提出了自適應回歸預測理論，為預測理論用于精密位移測量提供有力的理論依據。
　　(2)研究了動態(tài)和靜態(tài)標定實驗中的

9、誤差補償技術。采用多位置測頭誤差分離與傅立葉級數(shù)諧波修正技術，把時柵傳感器靜態(tài)誤差修正到1”之內，實現(xiàn)了無需高精度機械制造完成高精度測量的目的。在動態(tài)預測測量過程中，采用標準量插入法在預測當前測量值后減去上次預測誤差，目的是保證預測精度，消除預測誤差累計。
　　(3)實現(xiàn)基于預測理論的精密角位移動態(tài)測量實驗研究及相關產品研制。①實現(xiàn)了基于時間序列理論的時柵全閉環(huán)數(shù)控轉臺研制。采用自適應時序預測模型實時、有效地預測下個測量周期的位移

10、值，并通過嵌入式技術將此預測增量值轉換成連續(xù)空間均分的預測脈沖信號，實現(xiàn)時柵用于全閉環(huán)數(shù)控轉臺的動態(tài)位置反饋，目前預測精度能達到±2”。②實現(xiàn)了基于預測技術的時柵測量傳動誤差的軟同步技術。采用預測技術設計了一套用于傳動鏈高速端時柵和低速端時柵測量的軟同步技術。解決了測量過程中出現(xiàn)的時－時、時－空和空－空不同步問題，實現(xiàn)了時柵對傳動誤差的同步精確測量。③實現(xiàn)了基于空間序列理論的傳統(tǒng)柵式位移傳感器新型細分卡研制。提出空間序列的概念，并采用時