基于多传感数据融合与扩增补偿的圆光栅编码器测角误差抑制方法

doi:10.3901/JME.260271

机械工程学报 ›› 2026, Vol. 62 ›› Issue (10): 23-40.doi: 10.3901/JME.260271

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基于多传感数据融合与扩增补偿的圆光栅编码器测角误差抑制方法

李常胜^1,2, 丁建军^1,2, 金雨生^1,2, 刘阳鹏^1,2,3, 王振翼^1,2, 刘昕东^1,2, 蒋庄德^1,2

1. 西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室西安 710049;
2. 西安交通大学机械工程学院西安 710049;
3. 陕西阿拉丁精仪科技有限公司西安 710115

收稿日期:2025-05-18 修回日期:2025-11-15 发布日期:2026-07-29
作者简介:李常胜,男,1989年出生,博士,副教授,硕士研究生导师。主要研究方向为精密/超精密加工与检测。E-mail:li.changsheng@xjtu.edu.cn;丁建军(通信作者),男,1977年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为精密检测技术与仪器、精密超精密加工、工业大数据与智能制造。E-mail:dingjianjun@xjtu.edu.cn
基金资助:
东莞市重点领域研发(20231200300212)、陕西省重点研发计划“两链”融合高端机床重点专项(2021LLRH-01-01)、国家自然科学基金(52293405)、陕西省重点研发计划(2022QCY-LL-09)和中国博士后科学基金(2021M702593)资助项目。

Measurement Error Suppression of Circular Grating Angle Encoders Based on Multi-sensor Data Fusion and Augmentation Compensation

LI Changsheng^1,2, DING Jianjun^1,2, JIN Yusheng^1,2, LIU Yangpeng^1,2,3, WANG Zhenyi^1,2, LIU Xindong^1,2, JIANG Zhuangde^1,2

1. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049;
2. School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049;
3. Shaanxi Aladdin Jingyi Technology Co., Ltd., Xi'an 710115

Received:2025-05-18 Revised:2025-11-15 Published:2026-07-29

摘要/Abstract

摘要： 针对圆光栅编码器多传感数据融合的测角误差形成不清晰、测角误差补偿数据不足等问题，基于多传感器谐波误差抑制原理，采用等幅值方法对安装误差的影响进行研究，揭示了圆光栅安装偏心、倾斜和轴系晃动对光栅谐波误差抑制效果的影响，发现安装误差会导致高阶谐波的抑制效果变差。利用开放式光栅和精密回转轴系搭建了多传感布局光栅精度测试平台，通过8个传感器均布将系统误差为±2.78″的圆光栅编码器的测角误差降低至±0.5″。针对编码器中的残余系统误差，综合对比了分段线性插值、三次样条插值和谐波补偿算法的补偿效果，发现分段线性插值和三次样条插值的效果更好。基于光栅测角误差的谐波特性提出了基于分组校准的数据扩增与整合方法，此时分段线性插值补偿具有最佳的补偿效果，最终将8个传感器布局下圆光栅编码器非校准点处的测角误差降低至±0.4″。

关键词: 圆光栅, 编码器, 误差补偿, 测角误差, 安装误差

Abstract: The formation mechanism of angular measurement error of multi-sensor angle encoder is unclear, and the calibrated data of angle encoder is insufficient for high-precision error compensation. Therefore, the equal amplitude method is used to study the influence of installation error on the angular measurement error, based on the principle of harmonic error suppression for multi-sensor encoder. The influence of grating eccentricity, grating tilt, and shaft system vibration on harmonic error suppression effect is revealed. It is found that the installation errors result in degradation of the suppression performance of higher-order harmonics. The open grating and precision rotary axis were used to build an encoder accuracy test platform with multiple sensors evenly distributed along the circumferential direction. The angular measurement error of an encoder with a systematic error of ±2.78″ was improve to ±0.5″ through the uniform distribution of 8 sensors. In order to suppress the residual system error, the error compensation performance of the segmented linear interpolation, cubic spline interpolation and harmonic compensation algorithms are comprehensively compared. It is found that segmented linear interpolation and cubic spline interpolation are more effective. A data augmentation and integration method using group calibration is proposed based on the harmonic characteristics of the angular measurement error of circular grating. The results indicate that the segmented linear interpolation algorithm has the best compensating precision. The angular measurement error at the non-calibrated points was finally decreased to ±0.4″ for the angle encoder with 8 sensors evenly distributed.

Key words: circular grating, angle encoder, error compensation, angular measurement error, installation error

中图分类号:

TH712

李常胜, 丁建军, 金雨生, 刘阳鹏, 王振翼, 刘昕东, 蒋庄德. 基于多传感数据融合与扩增补偿的圆光栅编码器测角误差抑制方法[J]. 机械工程学报, 2026, 62(10): 23-40.

LI Changsheng, DING Jianjun, JIN Yusheng, LIU Yangpeng, WANG Zhenyi, LIU Xindong, JIANG Zhuangde. Measurement Error Suppression of Circular Grating Angle Encoders Based on Multi-sensor Data Fusion and Augmentation Compensation[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2026, 62(10): 23-40.

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参考文献

[1] KUMAR A S A，GEORGE B，MUKHOPADHYAY S C. Technologies and applications of angle sensors：A review[J]. IEEE Sensors Journal，2021，21(6)：7195-7206.
[2] 周玉清，梅雪松，姜歌东，等. 基于内置传感器的大型数控机床状态监测技术[J]. 机械工程学报，2009，45(4)：125-130. ZHOU Yuqing，MEI Xuesong，JIANG Gedong，et al. Technology on large scale numerical control machine tool condition monitoring based on built-in sensors[J]. Journal of Mechanical Engineering，2009，45(4)：125-130.
[3] 王峰，方宗德，李声晋，等. 人字齿轮系统振动传递分析优化与试验验证[J]. 机械工程学报，2015，51(1)：34-42. WANG Feng，FANG Zongde，LI Shengjin，et al. Analysis optimization and experimental verification of herringbone gear transmission system[J]. Journal of Mechanical Engineering，2015，51(1)：34-42.
[4] JUST A，KRAUSE M，PROBST R，et al. Comparison of angle standards with the aid of a high-resolution angle encoder[J]. Precision Engineering，2009，33(4)：530-533.
[5] YU H，CHEN X，LIU C，et al. A survey on the grating based optical position encoder[J]. Optics & Laser Technology，2021，143：107352.
[6] 方艳辉. 增量式编码器全数字量相加技术的研究[D]. 长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2005. FANG Yanhui. Research on the all-digital summing technique of incremental encoder[D]. Changchun：Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics (CIOMP)，Chinese Academy of Sciences，2005.
[7] 雷尼绍贸易有限公司. DSi双SiGNUM^TM接口——实现优于±1秒的整体安装精度[J]. 新技术新工艺，2008，8：51. Renishaw Trading Ltd. DSI Dual SiGNUM^TM interface- achieve overall installation accuracy of better than ±1 second[J]. New Technology & New Process，2008，8：51.
[8] KIM J A，KIM J W，EOM T，et al. Precision angle comparator using self-calibration of scale errors based on the equal-division-averaged method[C]// Physikalisch- Technische Bundesanstalt. MacroScale. Recent Developments in Traceable Dimensional Measurements，October 4-6，2011，Bern-Wabern，Switzerland：PTB，2013：8-12.
[9] KAO C F，HUANG H L，LU S H. Optical encoder based on fractional-talbot effect using two-dimensional phase grating[J]. Optics Communications，2010，283(9)：1950-1955.
[10] TSUKASA W，HIROYUKI F，TADASHI M. Self-calibratable rotary encoder[J]. Journal of Physics：Conference Series，2005，13(1)：240.
[11] MIYAWAKI T，WATANABE T，ENDO K. On-machine self-calibration of rotary encoders in the normal vector tracing method[J]. Review of Scientific Instruments，2022，93(10)：103702.
[12] 张善钟. 高精密圆分度测量装置中多读数头结构的消除误差原理[J]. 工具技术，1982，20(6)：42-46. ZHANG Shanzhong. Error elimination principle of multi-reader head structures for high-precision circular indexing measuring devices[J]. Tool Engineering，1982，20(6)：42-46.
[13] 乔丹，薛梓，黄垚，等. 等分多读数头位置偏差对测角误差的影响研究[J]. 计量学报，2017，38(6)：676-680. QIAO Dan，XUE Zi，HUANG Yao，et al. Study on influence of position deviation of multi-reading heads of equal average on angular measurement[J]. Acta Metrologica Sinica，2017，38(6)：676-680.
[14] 艾晨光，褚明，孙汉旭，等. 基准圆光栅偏心检测及测角误差补偿[J]. 光学精密工程，2012，20(11)：2479-2484. AI Chenguang，CHU Ming，SUN Hanxu，et al. Eccentric testing of benchmark circular grating and compensation of angular error[J]. Optics and Precision Engineering，2012，20(11)：2479-2484.
[15] 张文颖，劳达宝，周维虎，等. 圆光栅测角传感器在线自校准系统研制与实验[J]. 红外与激光工程，2018，47(1)：212-217. ZHANG Wenying，LAO Dabao，ZHOU Weihu，et al. Development and experiment of online self-calibration system for circular grating angle sensor[J]. Infrared and Laser Engineering，2018，47(1)：212-217.
[16] 张文颖，劳达宝，周维虎，等. 基于多头读数布局的圆光栅自校准方法研究[J]. 光学学报，2018，38(8)：352-358. ZHANG Wenying，LAO Dabao，ZHOU Weihu，et al. Self-calibration method based on multi-head reading layout[J]. Acta Optica Sinica，2018，38(8)：352-358.
[17] ZHAO C，WAN Q，LIANG L. Automatic compensation system for eccentricity error of absolute optical encoder[J]. Review of Scientific Instruments，2024，95(7)：075004.
[18] 王笑一，王永军，雷贤卿，等. 非对径安装双读数头圆光栅偏心测角误差修正[J]. 光学精密工程，2021，29(5)：1103-1114. WANG Xiaoyi，WANG Yongjun，LEI Xianqing，et al. Correction method for angle measurement error of eccentric encoder with double read-heads installed non-diametrically opposite[J]. Optics and Precision Engineering，2021，29(5)：1103-1114.
[19] GAO M，WANG L，ZHAO F. Research on high precision angle measurement and compensation technology based on circular grating[J]. Journal of Physics：Conference Series，2021，1838(1)：012075.
[20] HEYDEMANN P L M. Determination and correction of quadrature fringe measurement errors in interferometers[J]. Applied Optics，1981，20(19)：3382-3384.
[21] KAUL S K，TICKOO A K，KOUL R，et al. Improving the accuracy of low-cost resolver-based encoders using harmonic analysis[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A：Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment，2008，586(2)：345-355.
[22] DHAR V K，TICKOO A K，KAUL S K，et al. Artificial neural network-based error compensation procedure for low-cost encoders[J]. Measurement Science and Technology，2010，21(1)：015112.
[23] 李尕丽，薛梓，黄垚，等. 全圆连续角度标准装置的系统误差分离与补偿[J]. 仪器仪表学报，2021，42(3)：1-9. LI Gali，XUE Zi，HUANG Yao，et al. System error separation and compensation of the continuous full circle angle standard device[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument，2021，42(3)：1-9.
[24] 周彬彬. 高精度圆光栅测角系统误差补偿技术研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016. ZHOU Binbin. Research on error compensation technology for high accuracy circle gratings angle-measurement system[D]. Harbin：Harbin Institute of Technology，2016.
[25] JIA H K，YU L D，JIANG Y Z，et al. Compensation of rotary encoders using fourier expansion-back propagation neural network optimized by genetic algorithm[J]. Sensors，2020，20(9)：2603.
[26] HUANG Y，XUE Z，HUANG M，et al. The NIM continuous full circle angle standard[J]. Measurement Science and Technology，2018，29(7)：074013.

基于多传感数据融合与扩增补偿的圆光栅编码器测角误差抑制方法

Measurement Error Suppression of Circular Grating Angle Encoders Based on Multi-sensor Data Fusion and Augmentation Compensation

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[1]	金雨生, 丁建军, 李常胜, 刘阳鹏, 刘昕东. 圆光栅任意角位置测角误差分离与自校准方法[J]. 机械工程学报, 2026, 62(4): 25-36.
[2]	刘莘, 王珺, 陈景龙, 刘子俊. 基于多源数据密度估计自编码器的液体火箭发动机无监督异常检测[J]. 机械工程学报, 2025, 61(2): 36-45.
[3]	孙光明, 韩冰, 张大卫, 田文杰, 郭鑫, 赵坚, 何改云, 高卫国, 苏喆. 面向误差补偿的数控机床空间误差建模与辨识方法研究进展[J]. 机械工程学报, 2025, 61(19): 202-228.
[4]	汪步云, 史玉坤, 蒋金城, 程军, 杨鸥, 丁慧琴. 堆垛搬运机器人定位误差建模及补偿方法[J]. 机械工程学报, 2025, 61(17): 90-104.
[5]	王志颖, 李天福, 许文纲, 孙闯, 张军辉, 徐兵, 严如强. 降噪混合注意力变分自编码器及其在轴向柱塞泵故障诊断中的应用[J]. 机械工程学报, 2024, 60(4): 167-177.
[6]	段书用, 杨建华, 韩旭, 刘桂荣. 高维数据自适应降维方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(17): 283-296.
[7]	张德权, 李星奥, 张宁, 宁国松, 韩旭. 工业机器人全域误差场精细化建模方法及其误差补偿策略[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 316-329.
[8]	常建涛, 乔子萱, 孔宪光, 杨胜康, 罗才文. 多维非线性特征重构与融合的复杂产品工期预测方法[J]. 机械工程学报, 2023, 59(6): 295-309.
[9]	周健, 郑联语, 樊伟, 张学鑫, 曹彦生. 工业机器人定位误差在线自适应补偿[J]. 机械工程学报, 2023, 59(5): 53-66.
[10]	张冰鑫, 刘侃, 李跃, 胡伟, 黄庆, 陈泳丹. 基于累积误差补偿的永磁同步电机低速插值控制策略^*[J]. 电气工程学报, 2023, 18(3): 145-153.
[11]	黄佳欢, 余建波. 基于形态帽积卷积自编码器模型的齿轮箱故障诊断[J]. 机械工程学报, 2023, 59(23): 132-145.
[12]	吴志伟, 王博文, 闫磊, 徐文福. 绳驱7自由度仿人机械臂设计及其刚度建模与性能分析[J]. 机械工程学报, 2023, 59(17): 17-32.
[13]	姜东良, 李天昊, 刘文浩. 基于相似日和SAE-DBiLSTM模型的短期电力负荷预测^*[J]. 电气工程学报, 2022, 17(4): 240-249.
[14]	张金娈, 邓祖强, 张鑫, 王亮. 基于深度学习SDAE-BP的暂降类型识别方法^*[J]. 电气工程学报, 2022, 17(3): 184-193.
[15]	吕宏展, 王羽达, 王君政. 含安装误差的鼓形齿轮承载接触分析[J]. 机械工程学报, 2022, 58(21): 126-133.