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系統識別號 U0002-1201201716594200
中文論文名稱 非聚焦共路徑雷射旋轉光學尺
英文論文名稱 Non-focused Common-path Laser Rotary Encoder
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 105
學期 1
出版年 106
研究生中文姓名 林宜臻
研究生英文姓名 I-Chen Lin
學號 604370022
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2016-12-27
論文頁數 56頁
口試委員 指導教授-吳乾埼
委員-李朱育
委員-許正治
中文關鍵字 旋轉光學尺  角位移量測  共路徑  光柵圓盤 
英文關鍵字 rotary encoder  angular displacement  common-path  grating disk 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 習用雷射旋轉光學尺均為非共路徑架構,量測光與參考光行進的路徑不同,因此對於環境擾動敏感,量測誤差較大,量測解析度與準確度無法有效提高,限制習用雷射旋轉光學尺的發展。
本文提出了一種非聚焦共路徑雷射旋轉光學尺( Non-focused Common-path Laser Rotary Encoder ,以下簡稱NFCPLRE),具有元件少、組裝容易、高抗環境擾動能力、高量測解析度、與高準確度等優點。NFCPLRE的非聚焦光路使得其量測訊號穩定度高,同時,NFCPLRE對於光柵本身品質要求也較類似架構來得低,量測誤差大幅降低、光柵製造公差提高。
本研究利用Renishaw Tonic進行NFCPLRE量測性能實驗評估,並進行誤差分析。實驗結果顯示,角位移360度中Renishaw Tonic與NFCPLRE的平均差量為0.00149 度。而NFCPLRE於三小時系統穩定度量測中產生漂移量為0.00067 ± 0.0002 度,解析度約0.00014 ± 0.00007 度。綜合本研究的實驗評估與分析,可知NFCPLRE在超精密機械應用相當有潛力。
英文摘要 Commonly used laser encoders are of non-common-path configuration. The non-common-path configuration between the measurement and reference beams is susceptible to environmental disturbances, and thus produces additional error. Under normal circumstances, the precision measurement, positioning process, and displacement measurement resolution and accuracy is greatly affected. Environmental disturbance factors make laser optical device technology.
This study proposes a Non-focused Common-path Laser Rotary Encoder device called (NFCPLRE). NFCPRLE can effectively overcome the problems in the past without focused laser design. NFCPLRE compared with CPLRE for the grating quality requirements is also much low.
In this study, NFCPLRE conduct experimental evaluation of performance test and error analysis with Renishaw Tonic interferometer for offset evaluation, it is displayed in the analysis and the experimental results. In the angular displacement of 360 degree, the average differential of NFCPLRE was 0.00149 degree with Renishaw Tonic interferometer. The time dependent drift of NFCPLRE was measured for a period of three hour and was found to be 0.00067 ± 0.0002 deg with 0.00014 ± 0.00007 deg resolution. It is therefore shown that NFCPLRE has enormous potential forfuture development.
論文目次 目錄
符號表 IX
第1章 緒 論 1
1-1 研究背景 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 研究動機 8
1-4 研究目的 9
1-5 章節介紹 9
第2章 原理與方法 10
2-1 系統架構 10
2-2 干涉基本條件 12
2-3 都卜勒頻率偏移 14
2-4 相位調解 15
2-5 相位重建 18
第3章 NFCPLRE架構設計與實驗結果 20
3-1 實驗架構 20
3-2 定位平台 23
3-3 光電感測器 24
3-4 資料擷取卡 26
3-5 光柵圓盤 27
3-6 干涉條紋及干涉訊號 28
3-7 角位移量測 31
3-7-1 0.01 度角位移量測 31
3-7-2 0.05 度角位移量測 32
3-7-3 0.3 度角角位移量測 34
3-7-4 0.5 度角角位移量測 35
3-7-5 0.7 度角角位移量測 37
3-7-6 1 度角位移量測 38
3-7-7 10 度角角位移量測 40
3-7-8 50 度角角位移量測 41
3-7-9 360度角角位移量測 43
3-7-10 450度角角位移量測 44
3-8 系統穩定度量測 47
第4章 誤差分析 50
4-1 系統誤差 50
4-1-1 光柵圓盤及旋轉平台非平行造成的誤差 51
4-1-2 光柵髒汙影響 52
4-1-3 光學非線性 53
4-2 隨機誤差 53
4-2-1 材料熱變形 53
4-2-2 電子雜訊 53
4-2-3 訊號誤差 53
第5章 結論與未來研究建議 55
5-1 結論 55
5-2 未來研究建議 55
參考文獻 56


表目錄
表 1 1 長度實驗室環境[2] 2
表 1 2 文獻回顧總整理 7
表 2 1 不同的 所對應的 13
表 2 2 角度轉換關係表 19
表 3 1 微型共路徑雷射光學尺元件 22
表 3 2 特製機構示意圖 23
表 3 3 平台規格[15] 24
表 3 4 不同半徑的光柵週期 28
表 3 5 0.01 度實驗結果 32
表 3 6 0.05 度實驗結果 33
表 3 7 0.3 度實驗結果 35
表 3 8 0.5 度實驗結果 36
表 3 9 0.7 度實驗結果 38
表 3 10 1 度實驗結果 39
表 3 11 10 度實驗結果 41
表 3 12 50 度實驗結果 42
表 3 13 360 度實驗結果 44
表 3 14 450 度實驗結果 45
表 3 15 各個角位移的差值 46
表 3 16 3小時穩定度測試結果 48
表 4 1 實驗元件熱膨脹係數 53

圖目錄
圖 1 1 旋轉編碼器的分類 1
圖 1 2 旋轉光學尺加裝金屬外殼和護板[6] 2
圖 1 3 旋轉光學尺[7] 3
圖 1 4 旋轉光學尺指標脈衝產生裝置[8] 3
圖 1 5 雷射旋轉光學尺[9] 4
圖 1 6 雷射旋轉光學尺[10] 4
圖 1 7 微型雷射旋轉光學尺[11] 5
圖 1 8 微型雷射旋轉光學尺[12] 5
圖 1 9 光電式旋轉光學尺[13] 6
圖 2 1 第一道光架構示意圖 11
圖 2 2 第二道光架構示意圖 11
圖 2 3 NFCPLRE架構示意圖 12
圖 2 4 振動方向夾角為 的兩個光波在 時刻到達P點的疊加[14] 12
圖 2 5 都卜勒效應影響 的示意圖 16
圖 2 6 相位差90度的呂薩嘉曲線 17
圖 2 7 實際上的tan-1函數 18
圖 2 8 經過相位重建的tan-1函數 19
圖 3 1 第一道光架構示意圖 20
圖 3 2 第二道光架構示意圖 21
圖 3 3 干涉條紋 21
圖 3 4 實驗架構示意圖 22
圖 3 5 定位平台示意圖 24
圖 3 6 IC Haus LSC 各腳位功能[16] 25
圖 3 7 IC-Haus LSC所使用到的腳位[16] 25
圖 3 8 IC-Haus LSC感測器電路示意圖 26
圖 3 9 Labview 訊號處理程式的面板 27
圖 3 10 光柵圓盤內部示意圖 27
圖 3 11 第一道光的-1階及0階干涉條紋 28
圖 3 12 NFCPLRE的干涉條紋 29
圖 3 13 使用孔徑過濾後的干涉條紋 29
圖 3 14 干涉訊號 30
圖 3 15 呂薩嘉圖形 30
圖 3 16 0.01度角位移運動 31
圖 3 17 0.05度角位移運動 34
圖 3 18 0.3度角位移運動 34
圖 3 19 0.5度角位移運動 37
圖 3 20 0.7 度角位移運動 37
圖 3 21 1 度角位移運動 40
圖 3 22 10 度角位移運動 40
圖 3 23 50 度角位移運動 43
圖 3 24 360度角位移運動 43
圖 3 25 450 度角位移運動 46
圖 3 26 角位移小於1 度的差值 47
圖 3 27 角位移大於1 度的差值 47
圖 3 28 3小時靜態量測(Renishaw TONIC 環狀光學尺 V.S. NFCPLRE) 48
圖 4 1 光柵圓盤及旋轉平台非平行示意圖 50
圖 4 2 污漬在光柵上 51
圖 4 3 共路徑雷射光學尺讀取污漬光柵 51
圖 4 4 非聚焦共路徑雷射光學尺讀取污漬光柵 52
圖 4 5 未去除直流項之呂薩嘉圖形 54
圖 4 6 等速位移時,直流項不為零而交流項相等示意圖 54

參考文獻 [1] C. Kilian, 機電整合: 高立圖書出版, 2002.
[2] ISO Guide 25-1982.
[3] T. Takeshita, et al., "Application of Nanoimprint Technology to Diffraction Grating Scale for Microrotary Encoder," Sensors and Materials, vol. 25, pp. 609-618, 2013.
[4] T. Watanabe, et al., "Self-calibratable rotary encoder," in Journal of Physics: conference series, 2005, p. 240.
[5] T. Watanabe, "Is an angular standard necessary for rotary encoders?," Synthesilogy-English edition, vol. 1, 2009.
[6] H. Abe, "Optical rotary encoder having superposed metal plate and shield plate," ed: Google Patents, 1988.
[7] 艾華, "單光柵計量系統的研究," 全國第二屆機器人學術論文集, 1989.
[8] H. Epstein, "Apparatus for producing a phase insensitive index pulse for motion encoders," ed: Google Patents, 1990.
[9] K. Ishizuka, et al., "Rotary encoder using reflected light," ed: Google Patents, 1991.
[10] K. Ishizuka and T. Nishimura, "Encoder with high resolving power and accuracy," ed: Google Patents, 1992.
[11] K. Ishizuka and Y. Kaneda, "Rotary encoder measuring substantially coinciding phases of interference light components," ed: Google Patents, 1997.
[12] K. Ehrmann, et al., "A 3D optical profilometer using a compact disc reading head," Measurement Science and Technology, vol. 9, p. 1259, 1998.
[13] 岡. 武舍武史, 大村陽一, "光學旋轉編碼器," 中華民國專利第94,109,938號, 2005.
[14] 王文生. (1992). 干涉測試技術.
[15] https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=1064.
[16] https://www.ichaus.de/product/iC-LSC.
[17] http://www.ni.com/zh-tw.html.


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