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1、精密工作台的光栅定位测量系统设计姓名 好心人成绩 中等班级 08测控（1）班指导老师 陈本永前言光栅式位移测量技术，由于其具有高精确度、高分辨率、大量程、较强的抗干扰能力、较高的测量速度等特点，可实现动态测量、自动测试和数字显示功能等优点,在超精加工、微电子、微纳米技术等领域具有广阔的应用前景。国内、国外的现状概述随着数控技术在机床制造领域的普及，现代机床在加工速度，加工精度和可靠性方面都有了巨大的进步。作为数控机床核心技术之一的光栅测量技术对保障现代机床的各项性能指标起着决定性的作用。清楚了解现代光栅测量技术的发展趋势，正确选择适合自身需求的光栅测量系统对机床设计师和机床用户有着重要的意义。
2、 全闭环控制逐渐成为标准，由精密丝杠和编码器构成的半闭环控制系统对于机床热变形导致的加工误差无法进行补偿。在过去的十余年中，采用数学建模预测变形或通过实时测量温度变化来计算变形等尝试在技术上和经济性上都未能取得令人满意的结果。 采用全闭环控制结构的机床，机床传动部件的热变形处于位置控制环之内，误差自动得到补偿。与半闭环系统不同，全闭环系统的补偿效果几乎不随机床工况，磨损状况及加工程序的不同而发生变化，机床可以长期保持初始加工精度。这对于机床生产厂家和用户来说，都意味着巨大的经济效益。绝对式光栅正成为趋势，所谓绝对式光栅是相对于增量式光栅而言的，增量式光栅通过对光栅探头扫描过的栅线进行计数来获得
3、相对运动的距离数据。为了获得绝对位置，增量式光栅在开机后须执行过参考点动作。绝对式光栅以不同宽度，不同间距的栅线将绝对位置数据以编码形式直接制作到光栅上，光栅开机后立刻可以提供绝对位置信息，无需执行过参考点动作。 通常绝对式光栅在绝对轨之外还同时配备有增量轨，用以进一步提高光栅的精度与分辨率。当今世界，提高运营效率已成为整个制造行业面临的重大课题，因此，测控技术也随之掀起了不断革新的浪潮。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
4、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。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，光栅位移测量技术不但要达到更高的分辨率，
5、还要适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在如此背景下，精密工作台光
6、栅定位测量与控制系统设计也就这样应运而生，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。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,目前发达国家在光栅技术方面均投人大量的人力物力,通过研究光栅，开发了一系列新一代的对光栅测量要求很高的设备，例如数控设备等。例如，德国的SIEMENS公司、日本的FUNA
7、C公司等等。虽然我国数年来也不断对光栅测量方面的技术进行发展，但是出于种种原因，直到今天我国光栅测量领域依然处于比较落后的局面，我们必须对光栅技术不断加以研究和探索，从而带动整个现代工业加工的基础领域能有较大的发展，使得工业经济得到发展。总体方案设计1. 方案的构思本次课程设计为精密工作台光栅定位测量与控制系统的设计，以计量光栅为基础，通过对莫尔条纹的工作原理、光电转换技术和电子细分技术进行分析，设计精密工作台的光栅定位测量系统。实现精密工作台机构的方案比较多，用途也很广泛，根据不同的要求，采取不同的方案，应以满足使用要求而又经济合理为准则。但作为精度补偿用的精密工作台，因它的精度要求比较高，
8、一般都在亚微米级以上，所以设计时满足使用要求外，还应具有良好的静态特性和动态特性。作为理想精密微动工作台，应满足下列要求：1.精密工作台的支承或导轨副应无机械摩擦和无间隙，使其具有较高的位移分辨率，以保证高的定位精度和重复精度，同时还应满足工作进程；2.精密工作台应具有较高的几何精度，即颠摆、滚摆和摇摆误差要小，还应具有较高的精度稳定性；3. 精密工作台应具有较高的固有频率，以确保微动台有良好的动态特性和抗干扰能力，即最好采用直接驱动的方式，无传动环节；4. 精密工作台的定位系统要便于控制，而且响应速度快。2.总体方案框图光栅传感器脉冲处理单片机驱动电机工作台移动3.说明本次课程设计选择的是2
9、50线对/mm光栅，其栅距为4um, 利用镜像式二倍频读数系统进行读数，再经过一个5倍频信号和4细分电路的细分电路，从而达到对信号的4细分，实现.m的精度。计数器选择74LS192计数器，经细分后的信号以0.1为一次计数，经译码后在LED七段显示器上显示，反馈量返回单片机，单片机控制工作台启停。完全达到一维运动范围为100mm，分辨率为0.1um的设计目标。测量方案的设计1. 测量方案框图光栅镜像式二倍频读数系统差动放大、倍频、辨向细分电路可逆计数器单片机与显示2. 测量原理光栅测量系统的结构是：光栅传感器的输出是与光栅莫尔条纹对应的、相位不同的近正弦波状的两个电信号，再经差动放大、辨向细分等
10、电路，最终送到可逆计数器进行计数。该系统对工作平台位移的检测是通过光栅移动产生的莫尔条纹与光电检测电路配合完成的，并以单片机为核心构成信号处理与闭环控制。3. 硬件电路的设计光栅光栅测量是利用光栅迭合时所形成的莫尔条纹及其变化来实现的。两块相同的长光栅（如下图一a所示）迭合，如果栅线间夹角为，则光栅组透光部分呈菱形，综合效果是一组等间距亮带，即形成了莫尔条纹（如下图一b所示）。当很小时，莫尔条纹的方向与光栅条纹方向近似垂直。莫尔条纹的宽度为：光栅常数d=a+b。莫尔条纹的移动量X与光栅间相对位移x之间的关系为：X=n*x其中为放大倍数。当小于5时，莫尔条纹间距W将远远大于光栅栅距d。这一结果在
11、实用上非常重要，给测量带来了极大的方便。镜像式二倍频读数系统如下图二所示 光源S发出的光经透镜变为平行光照明主光栅G，经透镜L2反射镜M使主光栅的镜像成在住光栅上，形成光闸莫尔条纹，再经透镜L1和析光镜Md，被光电元件接受后产生光电信号。该系统的光电信号的频率增加一倍，故其灵敏度也提高一倍。接收电路本次课程设计采用两个推挽式接收电路，如下图三所示如图三所示的接收电路为两光电二极管推挽电路，当主刻度尺移动时，光电二极管中产生的光电流Is1为Is1=光电二极管PD2同时产生的光电流Is2为Is2= 将两电信号送入差动式放大器，放大后电压信号Ui1为Ui1= Ui2亦如上所得。差动放大电路本次课程设
12、计选用的基本差动放大电路，如下图四所示 差动放大是把两个输入信号（Ui2、Ui1）分别输入到运算放大器的同相和反相输入端，然后在输出端取出两个信号的差模成分，而尽量抑制两个信号共模成分的电路。采用差动放大电路，有利于抑制共模干扰和减小温度漂移。如上图四所示，为宜基本差动放大电路，它由一只通用的运算放大器和四只电阻组成。利用电路的线性叠加原理和定义可得，当时，差动放大电路的共模抑制比CMRR最大。信号经差动放大后，进入电阻链五倍频电路和四细分辨向电路进行20细分辨向。电阻链五倍频细分电路本次课程设计采用了电阻链五倍频细分电路，如下图五所示如图五所示，整个细分电路由电阻移相网络、比较器和逻辑电路三
13、大部分组成电阻移相网络在第一、第二象限内给出的移相角分别为0、18、162的10路移相信号，移相电阻的取值分别是18k、24k、33k和56k四种。电压比较器将10路移相信号与参考电压Ur相比较，将正弦信号转化为方波信号。电压比较器一般接成施密特触发电路的形式，使其上升沿和下降沿的出发点具有不同的触发电平，这个电平差称为回差电压。从比较器得到的10路方波信号再经过异或门逻辑组合电路，在UA和UB端获得两路相位差为90的五倍频方波信号。该五倍频信号正好满足四细分电路对输入信号的要求，本次课程设计也正是利用这性质，才得以将其与四细分电路相级联，实现20细分和辨向的。单稳四细分辨向电路本次课程设计所
14、采用的四细分辨向电路，如下图六所示上图六即为单稳四细分辨向电路。它是利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分。A、B两路相位差为90的方波信号，当传感器正向移动时，它们的波形图如下图七所示当传感器反向移动时，它们的波形图如下图八所示实现四细分后，输出信号U01、U02送入74LS192，实现辨向计数。计数器与显示计数与显示的电路连结图如下图九所示本次课程设计采用了74LS192十进制可逆计数器进行计数，并用7488译码器进行译码。译码后，在七段字符显示器显示。控制方案的设计1. 控制方案的框图键盘输入单片机驱动器步进电机工作台移动、光栅测量、信号处理、计数2. 控制方案原理本次课程设计采用51系列单片机作为控制部分的核心元件，键盘输入后，单片机通过驱动器对步进电机进行驱动，步进电机的运转带动整个工作台，光栅测量系统对其进行测量，测量所得的信号经处理、计数显示并传递给单片机，从而实现了整个控制系统的闭环控制。3. 硬件电路的设计键盘输入与显示如下图十所示单片机控制步进电机如下图十一所示
