Development and investigation of methods to improve characteristics in optical linear encoders

Abstract

Optical linear encoders are crucial for high-precision measurement systems used in industries like CNC machining, semiconductor manufacturing, 3D printing, and robotics. They offer better accuracy and resolution than other technologies, but practical challenges, such as subdivisional error (SDE) and installation errors, limit their performance. These issues affect surface quality and motion precision, especially in applications requiring high precision. Despite the research, existing solutions often fail to address these challenges under real-world conditions, highlighting the need for methods that enhance encoder accuracy and reliability by reducing SDE and improving mounting tolerance. This research explores new approaches through theoretical modelling and experimental validation. Advanced mask-less lithography technology is used to create custom main gratings with harmonic suppression patterns to reduce odd-order harmonic distortions, a primary cause of SDE. A hybrid-grating design for open-type optical linear encoders is introduced to improve mounting tolerance and stabilize light distribution over a wider installation gap. MATLAB simulations model the light distribution properties, and experimental testing is conducted on a platform replicating industrial conditions to ensure practical relevance. A key innovation of the dissertation is the hybrid-grating design, which improves mounting tolerance and signal integrity under sub-optimal installation conditions. This design reduces sensitivity to environmental and mechanical disturbances while addressing odd-order harmonic distortions, thus reducing SDE. This dual approach enhances accuracy and ensures reliability in industrial environments. Experimental results show significant SDE reduction and improved signal quality, with the hybrid-grating design maintaining accuracy over a wider installation gap. These results, supported by MATLAB simulations and experimental data, demonstrate the potential benefits for industries requiring high-precision machinery. SDE reduction and mounting tolerance are addressed to enhance the design and application of optical linear encoders. The proposed innovations enhance the accuracy and reliability of optical linear encoder systems, offering practical solutions scalable for industrial applications. The presented work bridges theoretical modelling and practical implementation, providing valuable references for the next generation of high-precision optical linear encoders.

Optiniai linijiniai keitikliai yra labai svarbūs didelio tikslumo matavimo sistemoms, naudojamoms tokiose pramonės šakose kaip CNC apdirbimas, puslaidininkių gamyba, 3D spausdinimas ir robotika. Jie pasižymi geresniu tikslumu ir skiriamąja geba nei kitos technologijos, tačiau praktiniai iššūkiai, tokie kaip dalijamosios vidinio žingsnio paklaidos (angl. Subdivisional error, SDE) ir diegimo klaidos, riboja jų veikimą. Šios problemos turi įtaką paviršiaus kokybei ir judėjimo tikslumui, ypač tais atvejais, kai reikia didelio tikslumo. Nepaisant tyrimų, esami sprendimai dažnai nesugeba išspręsti šių iššūkių realiomis sąlygomis, todėl išryškėja poreikis metodams, galintiems padidinti matavimo tikslumą ir patikimumą, sumažinti SDE bei pagerinti montavimo toleranciją. Disertacijoje nagrinėjami nauji metodai, taikant teorinį modeliavimą ir eksperimentinį patvirtinimą. Pažangi mask-free (liet. be šablono) litografijos technologija naudojama kuriant pasirinktines pagrindines groteles su harmonikų slopinimo raštais, siekiant sumažinti keistos eilės harmoninius iškraipymus, kurie yra pagrindinė SDE priežastis. Atvirojo tipo optinių linijinių keitiklių hibridinės grotelės pristatomos siekiant pagerinti montavimo toleranciją ir stabilizuoti šviesos pasiskirstymą per platesnį montavimo tarpą. Šviesos paskirstymo savybes modeliuojamos su MATLAB, o eksperimentiniai bandymai atliekami naudojant stendą, atkartojančiame pramonines sąlygas, kad būtų užtikrintas praktinis aktualumas. Pagrindinė disertacinio darbo naujovė yra hibridinių grotelių dizainas, pagerinantis montavimo toleranciją ir signalo vientisumą esant neoptimalioms įrengimo sąlygoms. Ši konstrukcija sumažina jautrumą aplinkos ir mechaniniams trikdžiams, kartu pašalindama harmoninius iškraipymus, taip sumažindama SDE. Šis dvigubas metodas padidina tikslumą ir užtikrina patikimumą pramoninėje aplinkoje. Eksperimentiniai rezultatai rodo reikšmingą SDE sumažėjimą ir geresnę signalo kokybę, o hibridinės grotelės išlaiko tikslumą per platesnį montavimo tarpą. Šie rezultatai, paremti MATLAB modeliavimu ir eksperimentiniais duomenimis, parodo galimą naudą pramonės šakoms, kurioms reikia didelio tikslumo. Siekiant pagerinti optinių linijinių keitiklių projektavimą ir taikymą reikia mažinti SDE ir montavimo toleranciją. Siūlomos naujovės padidina šių sistemų tikslumą ir patikimumą ir siūlo praktiškus sprendimus, kuriuos galima pritaikyti pramonėje. Šis darbas sujungia teorinį modeliavimą ir praktinį įgyvendinimą, suteikiant vertingų nuorodų naujos kartos didelio tikslumo optiniams linijiniams keitikliams.