激光横向变形测量系统精度检测及改进方法研究
激光横向变形测量标定系统的标定精度是材料形变测量的精度保障，对系统的检测精度具有决定性的作用。模拟材料横向形变的刀口切割匀化矩形激光的时候，射向光电探测器的激光能量会随之线性变化，输出的电压信号也会跟随线性变化；通过模拟材料横向形变的刀口运动位移和输出电压信号之间的一一对应线性关系实现变形测量标定，而对应的线性关系也是检验光斑强度匀化的标志；精确的刀口位移和精密的激光光束匀化是标定测量精度的基本保证，刀口运动精度检测将为提高标定系统精度从而提升激光变形测量精度奠定坚实基础，同时也可以检测激光的匀化精度为测量系统的精度改进提供参考数据。因此，本文的重点是刀口的运动精度检测及改进优化研究。 利用STM32工控机自带的编码器模式在自定义时间段采集连接刀口的光栅尺信号，直接测量刀口在任意时段移动的线速度和线位移。以此来检测刀口的运动特性。设计了等步长位移和匀速直线运动两种运动状态和多种测量方法检测系统运动精度。实验结果表明激光变形测量标定系统精度存在不同程度的误差，其中位移的误差会在实际中表现为标定系统对材料形变量大小测量误差，试验结果表明单次2000μm位移内最大位移误差为17μm，但是在整个31mm行程范围内相对误差小于0.418%；等步长位移测量中采用定时采样的方式测量90μm内的等步长位移误差，在电机运行平稳后最大达到18μm，相对误差超过20%，标定系统精度相较于测量材料的横向形变精度还存在一定的差距；模拟材料形变动态过程的误差还体现在刀口的运动速度，随着刀口运动速度的增加相对误差也随之增大，刀口在2.5mm/s的速度下最大相对误差达到18.667%，平台震动带来的误差较大，并且标定系统无论在等步长位移测量还是速度的测量中，整个过程运动状态都存在明显震荡，步进电机在启动和停止时存在明显的丢步和过冲，影响标定系统的运动精度。本文深入分析了误差来源，根据检测结果和误差来源提出了改进和优化的方案。 对激光横向变形标定系统运动部分的改进方向和内容进行了分析和研究。改进和优化主要方法是提升定位精度；将新的运动平台建立在高水平度的大理石上，仍然以传统的机械传动方式，以高性能PLC、位置控制单元、驱动器和伺服电机组成运动部分，配合23位绝对式编码器实现闭环控制，增加了加减速控制方式，并且以激光干涉仪为标准对运动平台定位精度检测。改进和优化后的系统震动大幅度减少，刀口运动动态性能明显提升，在单次500μm行程内误差由50μm范围波动降到了2μm以内，定位精度有明显提升。利用现有设备对光栅尺和丝杠精度进行了高精度检测，并且分析了误差主要来源。提出了改进和优化后系统的不足和发展方向，以促进激光横向变形测量标定系统的发展。
激光横向变形测量;精度检测;STM32;光栅尺信号;闭环控制
武汉纺织大学
硕士
机械工程
黄承义
2021
中文
TB302;TN247
2021-10-13（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）