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1、精品文档精密工作台的光栅定位测量与控制系统设计2013姓名：陈 XX学号：B09xxxxxx指导老师：陈本永、王丽敏精密仪器课程设计学长的一片苦心呀！各位！要过本永哥的课，要拼人品！目 录第1部分 国内外现状概述2一、研究背景与意义2二、国内外发展现状4第2部分 总体方案设计6一、方案构思6二、运动范围和精度7第3部分 测量系统设计8一、测量方案8二、光栅传感器9三、信号辨向细分13第4部分 控制方法设计19一、控制系统总体方案19二、执行元件20三、控制装置22第5部分 测控电路总体设计29一、测控总体电路29第6部分 总结与展望32参考文献34第1部分 国内外现状概述一、研究背景与意义几何
2、形状是客观世界中最广泛最具体的物质形态，几何量就是表征客观物体大小、长短、形状及位置的物理量。其中长度是几何量的基本参量，长度量的精密计量具有极为重要的意义。当前，制造业省人化、自动化趋势进展迅猛异常，而测量作业在此过程中是不可或缺的关键环节，它与生产加工和制品运送同等重要。当今世界，提高运营效率已成为制造业面临的重大课题，制造技术也随之掀起了不断革新的浪潮。近代机械工业尤其是当代超精密加工技术、微纳米技术、微机电系统等的兴起与发展对长度量的测量提出了越来越高的要求。近几十年来，随着激光技术在精密位移测量中的应用，长度量的工程测量技术有了飞速的发展。制造业是国家的支柱产业，是一个国家、一个民族
3、赖以繁荣昌盛的最根本的基础。世界各国都十分重视制造科学和制造技术的研究，美国科学基金会将先进制造列入优先资助领域。当前，制造科学和制造技术正向超精密、微细化方向发展，超精加工己成为先进制造的重要内容之一。目前，超精加工已进入纳米技术领域，具有纳米级分辨率的测量技术是超精加工中不可缺少的一环，也是急待解决的关键技术之一。纳米级的测试技术在现代武器装备的制造中有着非常重要的作用。现代局部战争已经体现出“高精度”的特点。例如，在海湾战争和空袭南斯拉夫的作战中，美军大量使用激光制导炸弹。激光制导炸弹所需的激光跟踪，激光照射中许多激光元件如激光反射镜、非球面透镜，其精度要求都很高，这些元件的加工质量将直
4、接影响到制导的精度。另外，高精度陀螺仪的加工、卫星姿态控制轴承孔以及轴承外圆的圆度、圆柱度也都为纳米级，因此，在武器装备现代化的过程中，超精加工和超精检测的重要性是毋容置疑的。现代工业技术对精密位移测量也提出了越来越高的要求，例如在微电子行业、超精加工行业等，半导体工业中的高精度模板的制造和定位，高精度传感器的标定；在科学研究中的量子物理学、化学、分子生物学等都需要很高的位移测量精度。无论是对国民经济各部门还是军事领域等，纳米测量都有着巨大意义。世界上许多科学家正在从事这方面的工作，也为此提出了许多测量原理和方法，纳米计划在欧洲、在美国、在日本都非常受到重视1 李岩，精密光栅纳米级承载工作台设
5、计与研究D. 长春理工大学，2008，11。在这种注重经营和技术创新的前提下，对测量仪器行业也提出了更高的要求，即量仪产品必须实现高速、高精度和系统化，而且必须与IT产业的发展相对应，同时应进一步加强质量管理测量技术是现代工业中的一个重要组成部分，它是进行生产活动的依据，它支撑着社会的技术进步，为众多领域的科学探索活动提供试验和观测手段，为人类有序的生产活动提供必需的技术保障。测量技术已经成为工业生产设备、安全装置、社会技术保障体系、大型高速交通运载工具、医疗系统和国防工程的核心技术。作为精密机械与精密仪器的关键技术之一的微位移技术，近年来随着微电子术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速地发展起
6、来。而定位与测量技术的水平几乎左右着位移技术的发展，因此直接影响到微电子技术等高精度工业的发展2 艾言，精密测量技术在机床行业中的应用J. 机电信息，2003，（1）：13-15。目前，光栅位移测量技术已经相当成熟，但随着现代工业技术的发展，对光栅位移测量的要求也会随之提高。为了满足更高的要求，光栅位移测量技术 Lu Haibao, Cao Juliang, SuShaojing. Research on displacement sensor with Nonsymetrical double gratingsJ.SPIE.2000,Vol.4077:40-43不但要达到更高的分辨率，还要适
7、应更复杂的工作环境。在长度量检测系统中，光栅测量系统占有明显优势，有着广泛的市场前景。栅式测量系统是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合起来，测量单位不是像激光一样的光波波长，而是通用的米制(或英制)标尺。光栅长度测量系统的分辨率已覆盖微米级、亚微米级和纳米级；测量速度从60mmin至480mmin。测量长度从1m、3m至30m和100m。1999年10月在中国召开的“面向21世纪计量测试理论与仪器”研讨会认为:纳米级测量已经成为当今测量领域的热点，在新的世纪要继续解决好纳米尺度的产生、标定及传递的理论和技术，制造出更新型的纳米精度的计量测试仪器4 张晓峰，林彬，大行程纳米级分
8、辨率超精密工作台的发展方向J. 南京航空航天大学学报. 2005，(27)：1-5。随着人们对大量程、高分辨率、和高精度的测量要求的不断深化，光栅位移 测量技术正在受到越来越广泛的重视。相比于其他高精度位移测量方法，光栅位移测量在结构、光路、电路和数据处理方面都比较简单、紧凑，整个系统体积小、成本低、易于仪器化、适合于推广应用5 CAO J L. Research on the displacement measurement technology of wide range high resolution with the gratingD. Changsha:National Univer
9、sity of Defense Technology, 2006:4-5(in Chinese).；同时，它以实物形式提供测量基准，既可以采用低热膨胀系数的石英或零膨胀系数玻璃等材料作为基体，也可以采用具有和钢等材料非常接近的热膨胀系数的玻璃或是金属材料作为基体，稳定可靠，零点漂移极小，对环境条件的要求低，对实验研究及工程应用都十分方便，在位移测量领域有非常广阔的发展前景6 王国超，颜树华，高雷，谢学东，田震，光栅干涉位移测量技术发展综述J . 激光技术，2010，（5）：663-664。在如此背景下，精密工作台光栅定位测量与控制系统设计，是作为测控技术与仪器专业的本科生必须熟悉并且能够独立完
10、成的课程设计。该研究能很好的满足超精密加工和超精密检测的要求，对现代工业技术的发展具有重要意义。二、国内外发展现状自上世纪七十年代以来，各国科研机构开始致力于发展精密位置检测，研究开发新一代检测元件和计量技术。精密位置检测技术同样是我国重点发展和推广的新型技术，多年来在航空航天及船舶工业、生物医学与健康工程、化学传感、地震力学研究、微电子加工以及精密机械仪器等领域均得到广泛应用。位置检测主要是指长度和角度的测量技术，随着近代科学技术的发展尤其是电子技术的迅速崛起，对测量提出高精度、大量程、动态化和数字化等新要求。光栅测量是位置检测的一种，是利用光栅作为位移传感器，通过对莫尔条纹计数 Chu X
11、ingchun, Lu Haibao, Du Liebao et al. Arthogonality-insensitive counting and subdividing method for moir(interference) fringe. 3rd International Sympsium on In strumentationJ. Science and Techonogy.2004,8.12-22，来实现位置检测的技术8 杜烈波，基于虚拟仪器技术的光栅位移检测系统J. 仪器仪表与传感器，2004，23(6)：91-92。 目前已经获得公认并且被广泛应用的位置检测技术主要有计量
12、光栅、感应同步器、磁栅、容栅、球栅、光纤光栅和激光等，其中感应同步器、计量光栅、磁栅、容栅、球栅、光纤光栅统称为栅式测量系统9 Su Shaojing,Huang Zhioping.Distributed remote control protocol-DPCP for field Bus J.SPIE,2000, 4077;445-448，这些测量方式都是采用将一个栅距周期内的距离绝对式测量和周期外的增量式测量结合起来，测量单位不是像激光那样的使用光波波长，而是使用国际标准的米制（或英尺制）标尺。它们具有各自特有的优势，相互补充，在竞争中都得到发展。随着光栅的刻制技术的发展和计算机技术的巨大
13、进步，以及光栅莫尔条纹细分技术的不断改进，使光栅检测技术在近二、三十年间得到迅猛的发展10 Li Xinggrong, Qiao Yangfeng, Liu Wei, etc. Grating interferometer method for Torsion measurementJ.20th ICO,2005,5.7-12。目前使用光栅技术进行长度和角度测量的传感器在计量和控制领域中已经得到推广。光栅测量系统以其性能优良、可靠性好、精度高、使用方便等诸多优点，逐渐在栅式测量系统中凸显，而且制造成本又比感应同步器、磁栅、球栅低。因此光栅测量技术发展的最快、技术指标最优良、市场占有份额最多。光
14、栅在栅式测量系统中的占有率已超过80% S. T. Lin. A new mori interferometer for measuring in-plane displacementJ.Experimental Mechanics.2001,41(2):140-143，光栅长度测量系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级测量速度从60mmin到480mmin，测量长度从1m、3m达到30m和100m12 Chu Xinggun, Lu Haibo,Du Liebao etal, Orthogonality-insensitive counting and subding method fo
15、r moire(interference)fringe.3rd International Sympsium on In strumentationJ.Science and Techonology,2002,8:276-270。计量光栅技术 Ichirou Yamaguchi, Ji-yuan Liu, Jun-ichiKato.Active.Phase-shitfing interferometers for shape and deformation measurementsJ. Experimental Mechancis. 1996,35(10):2930-2937的基础是莫尔条纹(Moire fringes)，1874年由英国物理学家LRayleigh首先提出这种图案的工程价值，直到20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量14 T.W.Shield,K.S.Kim.Diffraction theory of optical interference moire and device for production of variable virtual rteference grating: a moire microscopeJ.Experimenta
