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1、精密工作台的光栅定位测量系统设计 姓名 孙家欢 班级 07测控（1） 学号 B07340118目 录1国内外现状.32系统总体方案设计.73测量系统设计.104测控电路.115展望和总结.166参考文献.171国内外现状作为精密机械与精密仪器的关键技术之一微位移技术，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来。例如用金刚石车刀直接车削大型天文望远镜的抛物面反射镜时，要求加工出几何精度高于光波波长的表面，即几何形状误差小于。计算机外围设备中大容量磁鼓和磁盘的制造，为保证磁头与磁盘在工作过程中维持内的浮动气隙，就必须严格控制磁盘或磁鼓在高速回转下的跳动。特别是到世纪年代后期，微
2、电子技术向大规模集成电路（）和超大规模集成电路（）方向发展，随着集成度的提高，线条越来越微细化。动态线宽已缩小到左右，目前已小于，对与之相应的工艺设备（如图形发生器、分步重复照相机、光刻机、电子束和射线曝光机及其检测设备等）提出了更高的要求，要求这些设备的定位精度为线宽的，即亚微米甚至纳米级的精度。由于定位技术的水平几乎左右着整个设备的性能，因此直接影响到微电子技术等高精度工业的发展。例如精密仪器，无论是大行程的精密定位，还是小范围内的光学对准，都离不开微位移技术。因此微位移技术，成为现精密仪器的共同基础。下表列举了目前国内外应用微位移技术的部分实例。微位移系统如图包括微位移机构、检测装置和控
3、制系统部分。微位移机构是指行程小（一般小于毫米级）、灵敏度和精度高（亚微米、纳微米级）的机构。微位移机构（或称微动工作台）由微位器和导轨两部分组成，根据导轨形式和驱动方式可分成五类：柔性支承、压电或电致伸缩微位器驱动；滚动导轨，压电陶瓷或电致伸缩微位移器驱动；滑动导轨，机械式驱动；平行弹性导轨，机械式或电磁、压电、电致伸缩微位移器驱动；气浮导轨，伺服电机或直线电机驱动。在各种测量系统中，光栅测量系统优越的综合技术性能，和较低的制造费用，因此光栅发展得最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80%，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
4、速度从60mmin到480mmin，测量长度从1m、3m达到30m和100m。光栅的种类繁多，在精密仪器和精密计量中应用非常广泛，计量光栅是增量式光学编码器。计量光栅技术的基础是莫尔条纹(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。1950年德Heidenhain首创DIADUR复制工艺，也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受，进入商品市场。1953年英国Ferranti公司提出了一个4相信号系统，可以在一个莫
5、尔条纹周期实现4倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是4倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基础，并一直广泛应用至今。我国在光栅方面的研究起步较晚，于1960年前后，并在光栅和圆光栅的制造、用方面取得了许多成果。但是，我们与当今世界上主要的光栅测量装置生产厂家相比（德国的OPTION、Heidenhain公司、日本的三丰、双叶、美国的B&L公司等）有一定的差距，主要表现在：制造精度比较低、批量程度差、品种比较单一此外,目前发达国家在数控技术方面均投人大量的人力物力,研究和开发了一系列新一代的数控设备。例如，德国的SIEMENS公司、日本的FUNAC公司等等。虽然我国数年来也不断对数控技术进行发展，但是出
6、于种种原因，直到今天我国数控领域依然处于比较落后的局面，我们必须对数控技术不断加以研究和探索，整个现代工业加工的基础领域能有较大的发展，而使得工业经济的发展。2系统总体方案设计单片机放大器直线电机光栅位移传感器脉冲处理工作台计量光栅具有以下优点：(1)测量精度高。计量光栅应用莫尔条纹原理。莫尔条纹是由许多刻线综合作用的结果，故对刻画误差有均化作用。因此利用莫尔条纹信号所测量地位置精度较线纹尺等高，可用于微米级，亚微米级的定位系统。(2)读数速率高。莫尔条纹的取数率一般取决于光电接收元件和所使用电路的时间常数，可以从每秒零次至数十万次，既可用于静止的，也可以用于运动的，非常适合动态测量定位系统。
7、(3)分辨率高。常用光栅栅距为10-50um，细分后很容易做到1-0.1um的分辨率，最高分辨率可达到0.025um。(4)读数易实现数字化，自动化。莫尔条纹信号接近正弦，比较适合于电路处理，故其测量位移的莫尔条纹可用光电转化以数字形式显示或输入计算机，实现自动化，且稳定可靠。光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位移量进行量。为了提高系统分辩率 ，需要对莫尔条纹进行细分 ,设计采用了电子细分方法。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹 ,随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量 ,同时莫尔条纹又具有光
8、学放大作用 ,其放大倍数为K=K/d1/ （1）式中: W 为莫尔条纹宽度; d 为光栅栅距(节距) ;为两块光栅的夹角 ,rad.如下图，计量光栅分为振幅光栅和相位光栅。3测量系统设计光电检测器将接收到的光信号转换为电流信号，由光栅传感器产生两组信号分别结果差动放大与整形器整形后，输出脉冲信号，然后结果细分电路进入点偏激系统，从而点偏激对输入脉冲进行技术。当凉快光栅以微笑倾角重叠时，在与光栅刻度大致垂直的方向上就会产生莫问条纹，在条文移动的方向上放置光电探测器，可将光信号转换为电信号，这样就可实现位移信号到电信号的转换。由于位移是一个矢量，既要检测其大小，又要检测其方向，一次至少需要两路相位
9、不同的光电信号，由4个光电器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的2路信号其相位为pi/2，结果整形器后整形为占空比为1:1的方波，由于光栅在作正向火反响移动时，从差分放大器输出的两路信号相位差都是pi/2，将2个信号进行比较，就可以对信号进行辨向，在对信号进行辨向后，辨向后的信号经过细分，打到更高的精度，经细分后的信号通过计数器，实现位移的测量4测控电路单片机放大器直线电机光栅位移传感器脉冲处理工作台在一个莫尔条纹宽度内 按照一定间隔放置4个电器件就能实现电子细分与判向功能。本系统采用的光栅尺栅线为50对/ mm ,其光栅栅距为0.02mm ,若采用四细分后便可
10、得到分辨率为5m的计数脉冲。由于位移是一个矢量,即要检测其大小,又要检测其方向,因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波 我们采用了由低漂,移运放构成的差分放大器。由4个光电器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端,从差分放大器输出的两路信号其相位差为/2,为得到判向和计数脉冲,需对这两路信号进行整形,首先把它们整形为占空比为11的方波 ,经由两个与或非门74LS54芯片组成的四细分判向电路输入可逆计数器,最后送入由 8031 组成的单片机系统中进行处理。测量方面5倍频细分和4细分辨向电路在采用莫尔条纹测量位移的时候，若单纯的对一个额周期进行技术，则一
11、起的分辨率就是一个周期，所测得的分辨率较难打到较高要求，因此，需要根据周期性测量信号的剥削，振幅或者相位的变化规律，在一个周期内进行插值，也就是细分，从而获得更高的精度，电子细分就是把栅距进行N等分，是时间域上通过相对信息的测量打到细分的目的。通过光电转换，将莫尔条纹转成电信号，转换后的电信号在倍频细分电路中需要结合电阻链细分，电阻链细分就是将正弦信号施加在电阻链的两端，在电阻链的节点上可得到幅值和相位各不相同的信号，这些信号经整形，脉冲形成后，就能在正余弦信号的一个周期内得到若干计数脉冲，实现细分图4是一个既能防止误脉冲又能提高分辨率的四倍频细分电路。在这里，采用了有记忆功能的D型触发器和时
12、钟发生电路。由图4可见，每一道有两个D触发器串接，这样，在时钟脉冲的间隔中，两个Q端（如对应B道的74LS175的第2、7引脚）保持前两个时钟期的输入状态，若两者相同，则表示时钟间隔中无变化；否则，可以根据两者关系判断出它的变化方向，从而产生正向或反向输出脉冲。当某道由于振动在高、低间往复变化时，将交替产生正向和反向脉冲，这在对两个计数器取代数和时就可消除它们的影响（下面仪器的读数也将涉及这点）。由此可见，时钟发生器的频率应大于振动频率的可能最大值。由图4还可看出，在原一个脉冲信号的周期内，得到了四个计数脉冲。四倍频细分辨向电路5倍频信号电阻链5倍频细分电路原理图单片机在本系统中主要处于控制，
13、由于课程设计未要求控制系统的涉及，所以单片机的主要工作及各种编程在此略过。5展望和总结在对这次课程设计的题目有了一定的了解后，查阅了相关的文献和课本后，根据其运动范围100mm和精度0.01um，初步确定了精密工作台的光栅定位测量和控制系统的总体方案。确定了以单片机为控制装置，直流电机为驱动装置，测量系统选用光栅传感器测量系统。高新技术的飞速发展光栅传感器代表了一种全新的传感技术此技术逐渐向商品化发展其较低成本高使用价值的特性将会带来相对较高的经济效益。光栅在桥梁、通讯、建筑、机械、医疗、航海、航天、矿业等领域都能发挥重要作用，所以具有广阔的应用前景。光栅的理论研究到目前为止已取得了很大成就有
14、关其实用性方面的研究还需要进一步深入。在知识经济时代人们对高科技产品的需求越来越大而此技术带来的方便快捷将充分满足消费者的需求。从而占领越来越大的市场领域。光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域有着非常广阔的商业发展前景。6参考文献1 卢国刚 现代光栅测试技术 中国自动化研究所研究员2 孙亮 精密工作台光栅定位测量与控制系统的设计 中国计量学院3 吕海宝等 基于虚拟仪器技术的光栅位移测量系统J 仪表与传感器技术4 常健生 检测与转换技术【M 北京机械工业出版社，19975 黄金永，魏燕定，张炜，空间微动平台的柔性铰链参数优化设计机电工程，20066 于靖军，周强，毕树生，等基于动力学性能的全柔性机构优化设计机械工程学报，7 左孔天，赵雨东，钟毅芳，等。微型柔性机构的多目标计算机辅助拓扑优化设计，计算机辅助设计与图形学学报，20068 赵松年, 李恩光，现代机械创新产品分析与设计M，北京: 机械工业出版社, 2000。9 邹慧君1机械设计原理M 1上海: 上海交通大学出版社, 1995。10 冯功和，韩德湘，周茂华，激光全息光栅精密测试系统，激光与红外，199711 杜平安，甘娥忠，于亚婷，有限元法；原理
