本次研究的学术报告

第一作者及单位
本研究的核心作者为李常胜、丁建军、金雨生等，团队来自西安交通大学机械工程学院及精密微纳制造技术全国重点实验室，合作单位包括陕西阿拉丁精仪科技有限公司。论文发表于《机械工程学报》（Journal of Mechanical Engineering），具体发表日期为20**年*月。

学术背景
圆光栅编码器（angle encoder）作为高精度角位移测量的核心传感器，广泛应用于数控机床、机器人及航空航天等领域。然而，我国在亚秒级（sub-arcsecond）精度光栅领域与国际先进水平存在差距，高精度产品长期依赖进口。本研究针对圆光栅多传感数据融合中谐波误差抑制机理不清晰、补偿数据不足的问题，提出了一种结合安装误差分析与数据扩增补偿的创新方法，旨在提升国产光栅的测角精度。

研究流程与方法
1. 理论建模与仿真分析
- 谐波误差模型构建：基于圆光栅周期性误差特性，建立了包含偏心误差（eccentricity error）和倾斜误差（tilt error）的数学模型。偏心导致一阶谐波误差，倾斜引发二阶谐波，轴系晃动则引入随机误差。
- 安装误差影响仿真：通过等幅值方法，模拟了8个传感器布局下不同安装偏差（0.5°–2°）对谐波抑制效果的影响。结果显示，高阶谐波（如72阶）受安装误差影响显著，偏差越大抑制能力越弱。

1. 实验平台搭建与验证

   • 测试系统设计：采用开放式雷尼绍RCDM20-108光栅（标称精度±2.78″）和8个AT0M2T1-300传感器，结合精密气浮转台（轴系误差0.3μm）搭建多传感测角平台。校准系统由奥特梅尔Ultra-5050HR光电自准直仪（精度±0.1″）和24面棱体组成。
     
   • 布局方案对比：测试了1/2/4/8传感器均布布局的谐波抑制效果。实验表明，传感器数量增加可显著提升精度：单传感器误差±4″，8传感器布局降至±0.5″，优于对比光栅RON886（±1″）。
     

2. 误差补偿算法开发

   • 补偿方法对比：针对残余系统误差，比较了分段线性插值、三次样条插值和谐波补偿算法。在校准点附近，前两者效果相近（误差±0.2″），而谐波补偿因数据量不足表现较差。
     
   • 数据扩增技术：提出分组校准法，通过多组不同起点（0°、4.101°、12.432°）的测量数据整合，扩增补偿数据量。最终，8传感器布局下非校准点误差从±0.95″降至±0.4″。
     

主要结果与逻辑关系
1. 安装误差与谐波抑制的定量关系：仿真揭示了传感器安装相位偏差对高阶谐波抑制的负面影响，为实际装配工艺优化提供了理论依据。
2. 多传感布局的精度提升：实验数据验证了传感器数量与精度的正相关性，8传感器布局将系统精度提升至亚秒级，突破进口限制。
3. 补偿算法的适用性：数据扩增后，分段线性插值在非校准点表现最优，解决了传统方法依赖密集校准数据的瓶颈。

结论与价值
1. 科学价值：首次系统量化了安装误差对多传感谐波抑制的影响规律，完善了圆光栅误差理论模型。
2. 应用价值：提出的数据扩增补偿方法，仅需有限校准点即可实现全圆周高精度补偿，为国产光栅替代进口提供了可行方案。
3. 技术突破：8传感器布局±0.4″的精度达到国际先进水平，且成本低于封闭式光栅（如海德汉±0.1″产品）。

研究亮点
1. 创新性方法：等幅值仿真模型与分组校准数据扩增技术，均为领域内首次提出。
2. 工程实用性：实验平台采用开放式光栅，便于产业化推广；算法补偿无需硬件改造，降低实施门槛。
3. 跨学科融合：结合精密机械设计（气浮轴系）、信号处理（谐波分析）与算法优化（插值补偿），体现多学科协同优势。

其他发现
- 电机直连会引入额外振动，导致重复性标准差增大（8传感器布局下从0.15″升至0.23″），建议高精度测量时采用手动控制。
- 偏心量超过20μm时，双传感器布局的误差敏感度显著增加，而8传感器布局几乎不受影响，证明多传感方案对安装缺陷的鲁棒性。