基于預(yù)測(cè)理論的精密角位移動(dòng)態(tài)測(cè)量及其實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、位移測(cè)量是最基本、最普遍的測(cè)量。從宇航飛行衛(wèi)星探測(cè)到超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)，從物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究到納米技術(shù)的探索，無(wú)一不需要高精度位移測(cè)量。在精密測(cè)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(guó)，高端位移傳感器目前絕大部分依賴進(jìn)口，不僅價(jià)格高，而且進(jìn)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(guó)制造業(yè)和國(guó)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(guān)技術(shù)的研究，研制出了一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)全新

2、測(cè)量原理的精密位移傳感器--時(shí)柵。根據(jù)“用時(shí)間作為空間位移測(cè)量基準(zhǔn)”的思想，使得時(shí)鐘脈沖具有唯一的空間當(dāng)量，從而實(shí)現(xiàn)“采用時(shí)間測(cè)量位移”的新方法。目前場(chǎng)式圓時(shí)柵的檢定精度已達(dá)到±0.8”，直線時(shí)柵的檢定精度達(dá)到±0.5μm/m，而分辨力分別達(dá)到0.1”和0.1μm。
　　由于時(shí)柵是采用時(shí)間測(cè)量空間，按時(shí)間均分的等時(shí)采樣，因此時(shí)柵屬于絕對(duì)式靜態(tài)位移傳感器。而在動(dòng)態(tài)測(cè)量和實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，有許多場(chǎng)合需要按空間均分的等空間間隔采樣，這就需

3、要將時(shí)柵的原始絕對(duì)角位移轉(zhuǎn)化為空間均分的增量式脈沖信號(hào)。在三項(xiàng)國(guó)家自然基金的支持下，本課題引入預(yù)測(cè)理論實(shí)現(xiàn)時(shí)柵位移傳感器的增量式動(dòng)態(tài)測(cè)量和普通柵式位移傳感器的細(xì)分方法設(shè)計(jì)，并由此進(jìn)行相關(guān)預(yù)測(cè)理論、算法和實(shí)驗(yàn)的研究，主要研究和創(chuàng)新成果如下：
　　(1)從空間和時(shí)間的角度研究?jī)煞N位移測(cè)量模型。由此展開對(duì)普通柵式位移傳感器和時(shí)柵位移傳感器測(cè)量模型和測(cè)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(shí)柵位移傳感器在測(cè)量原理及物理意義

4、上的相關(guān)性和差異性。
　　(2)提出將預(yù)測(cè)理論用于精密位移測(cè)量。從數(shù)學(xué)角度對(duì)經(jīng)典的預(yù)測(cè)理論進(jìn)行分析和對(duì)比，尋求用于精密位移測(cè)量的最佳預(yù)測(cè)理論，從理論上證明了預(yù)測(cè)理論用于精密位移測(cè)量的有效性和可行性。
　　(3)提出了按時(shí)間序列生成連續(xù)空間位置信號(hào)的新全閉環(huán)控制方案。結(jié)合預(yù)測(cè)理論和時(shí)柵的測(cè)量原理，從數(shù)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度，采用時(shí)序理論對(duì)預(yù)測(cè)回歸模型進(jìn)行辨識(shí)、建模、檢驗(yàn)和優(yōu)化，其中還包含對(duì)預(yù)測(cè)回歸模型的定階和參數(shù)估計(jì)。為了獲得最佳預(yù)

5、測(cè)效果，提出了自適應(yīng)時(shí)序預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了預(yù)測(cè)模型參數(shù)的時(shí)變性。其目的是通過(guò)時(shí)柵測(cè)量得到的原始絕對(duì)式位移信號(hào)實(shí)時(shí)、有效地預(yù)測(cè)下個(gè)測(cè)量周期的位移值，并將此預(yù)測(cè)增量值通過(guò)脈寬調(diào)制方式轉(zhuǎn)換成連續(xù)空間均分的預(yù)測(cè)脈沖信號(hào)，完成原本靜態(tài)測(cè)量式時(shí)柵用于全閉環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)位置反饋，解決了時(shí)柵動(dòng)態(tài)位置的反饋誤差問(wèn)題和數(shù)控系統(tǒng)接口兼容性問(wèn)題。
　　(4)研究預(yù)測(cè)技術(shù)用于滾齒機(jī)床傳動(dòng)鏈誤差檢測(cè)。將時(shí)柵用作滾齒機(jī)床傳動(dòng)鏈傳動(dòng)誤差的檢測(cè)元件，采用預(yù)測(cè)技術(shù)設(shè)

6、計(jì)了一套用于傳動(dòng)鏈高速端時(shí)柵和低速端時(shí)柵測(cè)量的軟同步技術(shù)。解決了測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的時(shí)－時(shí)、時(shí)－空和空－空不同步問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)誤差的同步精確測(cè)量。
　　(5)提出了按空間序列生成連續(xù)反映空間位置信號(hào)的時(shí)間序列新方案。采用時(shí)空對(duì)偶方式研究利用時(shí)間序列理論構(gòu)建空間序列理論，建立狀態(tài)時(shí)間模型和空間序列模型，以完成對(duì)時(shí)間量的精確預(yù)測(cè)。從而提出一種基于時(shí)空轉(zhuǎn)換技術(shù)的柵式位移傳感器信號(hào)細(xì)分新技術(shù)。這種細(xì)分方法突破傳統(tǒng)細(xì)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(hào)的正交性和等幅性無(wú)關(guān)的新技術(shù)。
　　(6)研究基于測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)空變換技術(shù)具有空間意義的時(shí)間脈沖產(chǎn)生機(jī)理。利用時(shí)間脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)柵空間脈沖的實(shí)時(shí)細(xì)分和對(duì)普通柵式位移傳感器脈沖信號(hào)的細(xì)分方法研究，以及相關(guān)的細(xì)分誤差實(shí)時(shí)修正技術(shù)的研究。
　　(7)研究了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中的誤差補(bǔ)償。提出了基于多位置測(cè)頭法和傅立葉級(jí)數(shù)諧波修正法的靜態(tài)測(cè)量誤差修正和基于離散標(biāo)準(zhǔn)量插入的動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差修正法，并通過(guò)數(shù)學(xué)和

8、運(yùn)動(dòng)學(xué)角度建立起一系列基于預(yù)測(cè)理論的精密位移測(cè)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(shù)成果有：
　　(1)建立了用于精密位移測(cè)量自適應(yīng)回歸預(yù)測(cè)理論。結(jié)合精密位移測(cè)量和預(yù)測(cè)理論重點(diǎn)研究了應(yīng)用最多、最廣的多元統(tǒng)計(jì)回歸、時(shí)間序列和支持向量機(jī)，并在系統(tǒng)分析了三種預(yù)測(cè)方式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了自適應(yīng)回歸預(yù)測(cè)理論，為預(yù)測(cè)理論用于精密位移測(cè)量提供有力的理論依據(jù)。
　　(2)研究了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中的

9、誤差補(bǔ)償技術(shù)。采用多位置測(cè)頭誤差分離與傅立葉級(jí)數(shù)諧波修正技術(shù)，把時(shí)柵傳感器靜態(tài)誤差修正到1”之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需高精度機(jī)械制造完成高精度測(cè)量的目的。在動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)測(cè)量過(guò)程中，采用標(biāo)準(zhǔn)量插入法在預(yù)測(cè)當(dāng)前測(cè)量值后減去上次預(yù)測(cè)誤差，目的是保證預(yù)測(cè)精度，消除預(yù)測(cè)誤差累計(jì)。
　　(3)實(shí)現(xiàn)基于預(yù)測(cè)理論的精密角位移動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究及相關(guān)產(chǎn)品研制。①實(shí)現(xiàn)了基于時(shí)間序列理論的時(shí)柵全閉環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)研制。采用自適應(yīng)時(shí)序預(yù)測(cè)模型實(shí)時(shí)、有效地預(yù)測(cè)下個(gè)測(cè)量周期的位移

10、值，并通過(guò)嵌入式技術(shù)將此預(yù)測(cè)增量值轉(zhuǎn)換成連續(xù)空間均分的預(yù)測(cè)脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)時(shí)柵用于全閉環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)位置反饋，目前預(yù)測(cè)精度能達(dá)到±2”。②實(shí)現(xiàn)了基于預(yù)測(cè)技術(shù)的時(shí)柵測(cè)量傳動(dòng)誤差的軟同步技術(shù)。采用預(yù)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套用于傳動(dòng)鏈高速端時(shí)柵和低速端時(shí)柵測(cè)量的軟同步技術(shù)。解決了測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的時(shí)－時(shí)、時(shí)－空和空－空不同步問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了時(shí)柵對(duì)傳動(dòng)誤差的同步精確測(cè)量。③實(shí)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(xì)分卡研制。提出空間序列的概念，并采用時(shí)