绝对式光栅尺毕业论文.pdf

毕业设计报告（论文） 报告（论文）题目：绝对式光栅尺 作者所在系部：电子工程系 作者所在专业：电子信息工程 作者所在班级：B006214 作 者 姓 名 ：贾晓帅 作 者 学 号 ：20064021420 指导教师姓名：王援朝 完 成 时 间 ：2008 年 6 月 20 日 北华航天工业学院教务处 北华航天工业学院北华航天工业学院 毕业设计毕业设计( (论文论文) )任务书任务书( (理工类理工类) ) 学生姓名： 贾晓帅专业：电子信息工程 班级：B06214学号：200621420 指导教师： 王援朝职称： 工程师完成时间： 10/6/2010 毕业设计(论文)题目： 绝对式光栅尺 题目来源 教师科研 课题 纵向课题（） 题目类型 理论研究（） 注：请直 接在所属 项目括号 内打 “” 横向课题（）应用研究（） 教师自拟课题（）应用设计（） 学生自拟课题（）其他（） 总体设计要求及技术要点： 该传感器与光栅数显表,或与电子细分卡、计算机、PLC，或与数控单元一起组成 测量、控制系统。被广泛地用于数控镗床、铣床、车床、磨床、电加工机床、镗铣床、 加工中心、专用机床、测量机、工作台、激光加工、半导体加工等数控设备。 主要特色：基准器刻有两个定位码道，精码道用于栅尺判向和细分，粗码道它以二 进制伪随机码编程，再通过与其配用的译码显示器使全长的测量范围内的任意位置实 现单值函数的测量，实时确定光栅尺移动的绝对位置。极大地提高了系统的 抗干扰能 力。 工作环境及技术条件： 主要技术指标： 量程 5011000mm工作速度 30120m/min准确度515m分辨率 0.5m 工作温度-10+50C耐振动 2035M/sec 2 工作及最终成果： 1. 绝对式直线编码器 JGX-7 光栅传感器系统分析与论证 2. 绝对式直线编码器 JGX-7 光栅传感器产品结构分析与设计 3. 绝对式直线编码器 JGX-7 光栅传感器电路设计 4. 绝对式直线编码器 JGX-7 光栅传感器电路板设计与制作 5. 绝对式直线编码器 JGX-7 光栅传感器产品电路及总体安装调试 成果： 1.毕业设计论文 2.设计产品实物 3.全套分析、设计技术资料 时间进度安排： 第 56 周参观、布置任务 第 78 周收集技术资料，完成技术可行性论证并撰写开题报告 第 910 周系统分析与论证 第 1112 周结构分析与设计 第 1314 周电路板设计与制作、总体安装与调试 第 1516 周撰写毕业设计论文 第 17 周毕业设计论文答辩及成绩评定 指导教师签字：年月日 教研室主任意见： 教研室主任签字：年月日 北华航天工业学院 本科生毕业设计（论文）原创性及知识产权声明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 绝对式光栅尺 是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究工作取得的成果。 除文中已经注明引用的内容 外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本设计 （论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业设计 （论文）引起的法律结果完全由本人承担。 本毕业设计（论文）成果归北华航天工业学院所有。本人遵循北华航天工业学院有关 毕业设计（论文）的相关规定，提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本。本人同意北 华航天工业学院有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服 务； 可以采用影印、 缩印、 数字化或其它复制手段保存论文； 在不以营利为目的的前提下， 可以公布非涉密毕业设计（论文）的部分或全部内容。 特此声明 毕业设计（论文）作者：指导教师： 年月日年月日 北华航天工业学院毕业论文 摘要 绝对式光栅尺， 是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置， 经常应用于数控机床的 闭环伺服系统中。 本文就光栅的数据采集， 信号的细分辨相作详细的研讨和论证。 本设计的主要特点就 是能够对光栅尺实时定位得到绝对位置， 并通过辨向细分电路对信号处理使其测量输出的 信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。 关键词：辨向细分电路 数据采集 光栅尺 北华航天工业学院毕业论文 Abstract Absolute grating, is the measurement feedback device using of grating optics , often used in closed-loop CNC machine tool servo systems. In this paper, there will be a detailed discussion and demonstration about raster data acquisition and signals subdivision. The main feature of this design is the ability to obtain real-time location of the grating absolute position, and to distinguish the sub-circuit through the signal processing to measure the output signal into digital pulses with a detection range, high precision and fast response Key wordsQuadrature decoder/ counterData AcquisitionGrating Sensor 北华航天工业学院毕业论文 目录 第 1 章 绪论. 1 1.1 光栅传感器简介1 1.2 课题背景1 1.3 课题的建立以及本文完成的主要工作2 第 2 章光栅测量技术. 3 2.1 光栅简介3 2.2 光栅测量原理4 2.2.1 信息采集原理 4 2.2.2 裂相窗口测量原理 5 2.2.3 绝对位移测量 6 第 3 章光栅尺的电路设计. 7 3.1 光栅尺辨相技术7 3.1.1 辨相的原理 7 3.1.2 辨相电路 9 3.2 细分原理10 3.2.1 四细分 10 3.2.2 五细分 11 第 4 章光栅尺版图制作. 14 4.1 版图制作概况14 4.2 版图制作设计14 4.2.1 软件环境介绍 14 4.2.2 电路图的绘制 14 4.3 电子版图布线设计15 4.4 主要技术性能指标18 第 5 章光栅尺的制造与安装. 19 5.1 光栅尺的制造.19 5.1.1 元器件筛选的目的和作用 19 5.1.2 元器件筛选的原理 19 5.1.3 电子元器件筛选方案 20 5.2 光栅尺的安装.21 5.2.1 位移传感器安装基面 21 5.2.2 位移传感器主尺安装 22 5.2.3 位移传感器读数头的安装 22 5.2.4 位移传感器限位装置 22 北华航天工业学院毕业论文 5.2.5 位移传感器检查 22 5.2.6 光栅传感器安装注意事项 23 第 6 章 结论. 24 致谢. 25 参考文献. 26 附录. 27 附录 1.27 附录 2.32 北华航天工业学院毕业论文 1 绝对式光栅尺 第 1 章 绪论 1.1 光栅传感器简介 传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、 热、湿度）或化学组成（如烟雾） ，并将探知的信息传递给其他装置或器官。 国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的 规律转换成可用信号的器件或装置， 通常由敏感元件和转换元件组成”。 传感器是一种检 测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号 或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、 记录和控制等要求。 它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 光栅尺位移传感器（简称光栅尺） ，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光 栅尺位移传感器经常应用于数控机床的闭环伺服系统中， 可用作直线位移或者角位移的检 测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。 例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起 到一个补偿刀具的运动误差的作用。 光栅尺位移传感器按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅。 1.2 课题背景 从上个世纪 50 年代到 70 年代栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、 磁栅、 容栅和 球栅， 这 5 种测量系统都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了 起来，测量单位不是像激光一样的是光波波长，而是通用的米制（或英制）标尺。它们有 各自的优势，相互补充，在竞争中都得到了发展。由于光栅测量系统的综合技术性能优于 其他 4 种，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，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，测量速度从 60m/min，到 480m/min。测量长度从 1m、3m 达到 30m 和 100m。 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 L.Rayleigh 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 年德国 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 北华航天工业学院毕业论文 2 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 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。 德国 Heidenhain 公司 1961 年开始开发光栅尺和圆栅传感器，并制造出栅距为 4m （250 线/mm）的光栅尺和 10000 线/转的圆光栅测量系统，能实现 1 微米和 1 角秒的测量 分辨力。1966 年制造出了栅距为 20m（50 线/mm）的封闭式直线光栅传感器。在 80 年 代又推出 AURODUR 工艺，是在钢基材料上制作高反射率的金属线纹反射光栅。并在光 栅一个参考标记（零位）的基础上增加了距离编码。在 1987 年又提出一种新的干涉原理， 采用衍射光栅实现纳米级的测量，并允许较宽松的安装。1997 年推出用于绝对传感器的 EnDat 双向串行快速连续接口，使绝对传感器和增量传感器一样很方便的应用于测量系 统。现在光栅测量系统已十分完善，应用的领域很广泛，全世界光栅直线传感器的年产量 在 60 万件左右，其中封闭式光栅尺约占 85%，开启式光栅尺约占 15%。 1.3 课题的建立以及本文完成的主要工作 本文主要包括以下内容： 1光栅传感器的设计原理，设计方法，设计的实现，原理的建立和联系到原理所产 生的设计方法，方法的优缺点，困难，和解决思路。在原理的完成，查漏，补全以及替换 上反复验证。各部分的采用实现，适合的元器件选择，理论的完成设计思想。 2使用 protel 99 工具，学会使用工具，再熟悉并可以使用的基础上根据完成的电路 设计，画出原理电路图，结合元器件的选择，在版图制作中进行版图制作，根据实际的生 产情况，对版图的制作进行修改加工，在实际的基础上完成对版图的制作。在这里需要对 实际工作的认识和熟悉，加工工艺的要求在这里要有充分的认识。 3熟悉光栅传感器的制作工艺，了解生产过程，在工程生产中所要求的注意事项， 在工艺中实际的实现有技术要求， 要联系到实际可能性和实用性， 最后完成并生产出实际 的光栅传感器。 北华航天工业学院毕业论文 3 第 2 章光栅测量技术 2.1 光栅简介 光栅作为重要的分光器件， 它的选择与性能直接影响整个系统性能。 光栅分为刻划光 栅、复制光栅、全息光栅等。刻划光栅是用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成；复制 光栅是用母光栅复制而成。 典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。 全息光栅是由激光 干涉条纹光刻而成。全息光栅通常包括正弦刻槽。刻划光栅具有衍射效率高的特点，全息 光栅光谱范围广，杂散光低，且可作到高光谱分辨率。 反射式衍射光栅是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽， 一系列平行刻槽的间隔与波 长相当， 光栅表面涂上一层高反射率金属膜。 光栅沟槽表面反射的辐射相互作用产生衍射 和干涉。对某波长，在大多数方向消失，只在一定的有限方向出现，这些方向确定了衍射 级次。如图 1 所示，光栅刻槽垂直辐射入射平面，辐射与光栅法线入射角为，衍射角为 ， 衍射级次为 m， d 为刻槽间距， 在下述条件下得到干涉的极大值： M=d （sin+sin） 定义为入射光线与衍射光线夹角的一半，即=(-)/2；为相对于零级光谱位 置的光栅角，即=(+)/2,得到更方便的光栅方程： m=2dcossin 从该光栅方程可看出： 对一给定方向，可以有几个波长与级次 m 相对应满足光栅方程。比如 600nm 的 一级辐射和 300nm 的二级辐射、200nm 的三级辐射有相同的衍射角，这就是为什么要加 消二级光谱滤光片轮的意义。 衍射级次 m 可正可负。 对相同级次的多波长在不同的分布开。 含多波长的辐射方向固定，旋转光栅，改变，则在+不变的方向得到不同的波 长。 光栅单色仪的分辨率 R 是分开两条临近谱线能力的度量，根据罗兰判据为： R=/ 光栅光谱仪中有实际意义的定义是测量单个谱线的半高宽(FWHM)。实际上，分辨率 依赖于光栅的分辨本领、系统的有效焦长、设定的狭缝宽度、系统的光学像差以及其它参 数。 R MF/W M-光栅线数 F-谱仪焦距 W-狭缝宽度。 北华航天工业学院毕业论文 4 2.2 光栅测量原理 2.2.1 信息采集原理 传感器的目的是把现实生活中的各种物理、 化学信息转化成电子信号从而方便数据的 后期处理。 光栅尺所完成的任务就是把位移信号转化成相应变化的电信号。光栅尺信息采集原 理，如图 2-1。原理概述如下：由发光源发出的激光透过光栅尺照射到光敏元件上，光敏 元件把得到的光线强度反应到电路中从而得到相应的电信号。 当然， 为了增强数据的准确 性往往在光源后和光敏元件前增设透镜装置。 在生产实际中，栅式光栅尺使用两根光栅尺，如图 2-2 所示。一根为主光尺，也就是 刻度标尺，尺的一侧，均匀的刻有明暗相间的光栅条纹。另一根光栅尺很短很小，有 5 个裂相窗口，其中 4 个窗口用与辨相计数，另外的窗口用于定位，每个窗口刻有与标尺相 同栅矩的光栅条纹。当测量光栅左右移动时，透过光栅尺的光强度会有明暗的变化，通过 光敏元件把这种明暗变化用电信号表示出来，完成数据的采集。 图 2-2光栅尺的主光栅尺与指示光栅示意图 信号输出 放大整形 光源 透镜光栅尺透镜 光敏元件 图 2-1 光栅尺数据采集原理示意图 测量光 栅移动 方向 定位 光栅 主光栅 裂相 窗口 0090018002700 测 量 光 栅 北华航天工业学院毕业论文 5 2.2.2 裂相窗口测量原理 上节理论上简单介绍了光栅尺的测量原理。 在生产实际中， 栅式光栅尺使用两根光栅 尺， 如图 2-3 所示。 一根为主光尺， 也就是刻度标尺，上均匀的刻有明暗相间的光栅条纹。 另一根光栅尺很短很小， 有 4 个裂相窗口， 每个窗口上刻有与标尺相同栅矩的明暗相间的 光栅条纹，且 4 个窗口各自相距为栅矩的（N+1/2）倍，此光栅尺称为测量光栅。在两尺 的一端有光源，即发光二极管。另一端有光敏电阻，对齐窗口的位置安装 4 对管，如图 2-4。 图 2-3 四裂相窗口光栅尺 图 2-4 四裂相窗口光栅尺实物图 使用时，主光尺是固定的，指示光栅在主光栅上移动，按照收到光照程度不同产生正 弦波，由于 4 窗口位置的相位关系，因此产生的 4 个正弦波依次相位差为 90 度。测量位 移的大小，速度的多少都经过指示光栅进行读取和记录。 测量光 栅移动 方向 主光栅 裂相 窗口 测 量 光 栅 0090018002700 北华航天工业学院毕业论文 6 2.2.3 绝对位移测量 普通光栅尺所测只是相对位移无法准确的得到此刻的位移量， 为了能够对位移大小准 确定位，往往增加一个特殊的窗口（定位窗口）来采取绝对位移信号。实际制造中，常会 在主光栅尺上方每隔一定的距离刻光栅条纹。 使用时， 当定位窗口与定位光栅重合时就会 发出信息，从而确定此事测量光栅的绝对位置。 北华航天工业学院毕业论文 7 第 3 章光栅尺的电路设计 3.1 光栅尺辨相技术 3.1.1 辨相的原理 上章我们已经阐述了光栅尺的信息采集，下文简述光栅尺的如何进行辨相。 图 3-1 首先，看一下光栅采集数据的特点： 光栅尺如图 3-1，当用光电元件作为检测元件接受光强明、暗变化时，就会转换为相 应的电信号。移动测量光栅尺，两尺栅线相对位置改变，使得每个裂相窗口中的光强发生 变化， 光电元件输出电压或电流波形与光强的变化类似， 是一个具有直流分量的正弦交变 信号。当主光栅尺与指示光栅对应叠放，若指示光栅 0窗口的栅线与主光栅栅线完全重 叠,如图，刻线对齐刻线，该窗口最明亮，可认为是莫尔条纹的亮带；180窗口两尺栅线 完全错开刻线对齐缝隙，窗口最黑暗，可认为是莫尔条纹的暗带；90和 270窗口中栅线 缝隙遮挡一半，此时窗口半明半暗。光栅栅线很细肉眼看到的只是裂相窗口的平均光强。 此时，0 度窗口全明，90 度窗口半明半暗，180 度窗口全暗，270 度窗口则是半明半暗。 假设测量光栅向右移动 1/4 栅距时，0 度窗口半明半暗，90 度窗口是全明，180 度窗口半 明半暗，270 度窗口全暗。测量光栅向右移动 1/2 栅距时，0 度窗口全暗，90 度窗口半明 半暗，180 度窗口全明，270 度窗口则是半明半暗。测量光栅向右移动 3/4 栅距时，0 度 窗口半明半暗，90 度窗口是全暗，180 度窗口半明半暗，270 度窗口全明。继续右移，遵 此循环，可得到图 3-2A 所示波形。 主光尺 指示光栅 北华航天工业学院毕业论文 8 图 3-2 波形输出 以 90与 180窗口对应输出的两个正弦电信号为一组送入一个差动放大器，再把 90 与 270窗口对应输出的两个正弦电信号为一组送入另一个差动放大器，这样，四个光电 接收管的信号经过两个差动放大器后，消除了直流分量，转换为两路相位相差 90的正弦 交流信号 u1 、u2 输出 同理左移测量光栅尺得到图 3-3A 所示波形，对应合并得到图 3-3B 所示 u1 、u2。 图 3-3 波形输出 总之，无论测量光栅尺从何处开始移动，只要是向左移动，u2 波形相位落后 u1 波形 90； 测量光栅尺向右移动， u2 波形相位超前 u1 波形 90。 将以上两路信号送入辩向电路， 即可区分测量光栅尺的移动方向。 0 0 t 2 2 u1 u2 t u 0 0t 180 2 0 t 90270 u 2 A 四个光电管输出波形 B 两个差动放大器输出波 0 0 t 2 2 u1 u2 t u 0 0t 180 2 0 t 27090 u 2 A四个光电管输出波形 B 两个差动放大器输出波 北华航天工业学院毕业论文 9 光栅输出的回路信号,通过差分放大电路消除直流电平,形成两路幅值为的正弦信号 A 和 B,其相位差为 90，如图 3-4 所示。 图 3-4 3.1.2 辨相电路 上节得到两路正弦信号 A 和 B,经过辨相电路，当测量光栅右移时使得计数器加计数 数，左移时减计数，此时，我们就可以完成对测量的辨相。辨相电路如图 3-5 所示。 图 3-5 辨相电路框图 下面我们依据图 3-6 所示波形来分析辨相电路如何完成辨相工作： 测量光栅左移时， u2波形相位落后 u1波形 90。 两路信号经放大整形输出两路相差 90 的方波信号 u1 , u2。接着我们对 u 1 及其反向信号进行微分，得到的两路微分信号分别 与 u2 做与运算。观察图形可知 Y 2有输出而 Y1无输出，经 RS 触发器，Q 输出高电平，此 时可逆计数器进行加计数。同理，测量光栅右移时，可逆计数器进行减计数。至此，我们 完成了当测量光栅右移时使得计数器加计数数， 左移时减计数的设计要求， 电路辨相完成。 北华航天工业学院毕业论文 10 图 3-6 辨相电路各点输出波形 3.2 细分原理 经过整形电路后的输出信号放大倍数有限， 精度也不是很高， 所以需要细分电路处理。 这就分为软件细分和硬件细分。目前，光栅计量的软件细分方法有：正切查表法、直接细 分法、斜率陡峭切割法等。硬件细分方法很多下面介绍几种。 3.2.1 四细分 光栅传感器输出两路相位相差为 90的方波信号 A 和 B.如图 3-4 所示，用 A，B 两 相信号的脉冲数表光栅走过的位移量，标志光栅分正向与反向移动四倍频后的信号，经 计数器计数后转化为相对位置.计数过程一般有两种实现方法：一是由微处理器内部定时 计数器实现计数；二是由可逆计数器实现对正反向脉冲的计数。 北华航天工业学院毕业论文 11 图 3-7 光栅传感器输出信号示意图 3.2.2 五细分 五细分电路可以和其他细分电路配合组成十的倍数的放大倍数， 是一种很受欢迎的专 用集成电路。 硬件五细分，通过对正弦信号移向并组合，从而实现细分。 首先介绍一下电阻链移向原理：根据戴维南的等值发电机原理，图中 图 3-8 电阻链移向原理 212122 2121212122 11222121 ()/() ()/() ()/() /()/() ab UEEERRR ERRRREERRR RRRERRRE Uab E1 R1R2 E2 北华航天工业学院毕业论文 12 令： 22 1212 ()/KRRRR 则： 11222121 1 ()() ab UK RRREK RRRE K 令： 2 sinE 1 cosE 22 112 cosRRRt 22 212 sinRRRt 则： 22 1212 22 1212 ()(sin cossincos ) () sin() ab URRRRtt RRRRt 所以当选不同的 1 R 和 2 R 值时，可获得不同的相移角 t，从而使得正弦信号得到移相的 目的。此后，经过电路的整合达到细分的目的。 实际生产中往往采用集成电路， 电路内部框图如图 3-9， 输入端有sin，cos， sin, 比较电平和绝对零点五路输入信号，输出 O1,O2,O。首先，sin和cos信号经过电阻链 1 形成sin，sin( 18 ) ，sin( 36 ) ，sin( 54 ) ，sin( 72 ) 五路信号，同理由cos和 sin产生 sin90 ，sin( 108 ) ，sin( 126 ) ，sin( 144 ) ，sin( 162 ) 。经过 过零比较器产生十路方波信号，再经过如图组合的异或电路形成两路相差 90 度的五细分 方波信号。以上就是五细分电路的基本原理。 至此，电路设计完毕。 北华航天工业学院毕业论文 13 图 3-9 五细分电路 O 00 180 360 540 720 900 1080 1260 1440 1620 00 360 720 1080 1440 1620 1260 900 540 180 sin cos -sin 比较电平 绝对零输入 O2 O1 电 阻 链 北华航天工业学院毕业论文 14 第第 4 章章光栅尺版图制作光栅尺版图制作 4.1 版图制作概况 光栅传感器的设计，在基础电路设计完成后，需要实现硬件的产品。而在这之前，还 需要光栅传感器的版图制作。他作为向硬件过渡的关键，是基于电路设计的基础，绘制电 路版图，利用软件功能，实现硬件电路板的设计。根据软件功能，布线布局安排好后，可 由厂家直接生产电路板，实现硬件的设计。 本次设计采用 Protel 99 软件完成对电路版图的设计和制作。在设计制作中，耗用了 大量的时间在布局设计上面，是本次设计最为耗时的环节。 4.2 版图制作设计 Protel 99是应用最广泛的电子线路设计软件，使用简单、易于学习、功能强大。此次 设计使用该软件实现电路版图的制作，绘制。为硬件设计实现提供指导。由于电路设计的 完成，按照原理图，首先构建电路图，在软件环境中把前面提到的电路设计思想用电路图 的形式画出来，同时注意器件的选择，摆放的结构，各部分细节，都要完整，不可缺失。 4.2.1 软件环境介绍 本设计的版图绘制环境是在 Protel 99 下完成的。 Protel 是 PORTEL 公司在 80 年代末推出的 EDA 软件，在电子行业的 CAD 软件中， 它当之无愧地排在众多 EDA 软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开 始使用，在国内的普及率也最高。完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘 制、 模拟电路与数字电路混合信号仿真、 多层印制电路板设计 （包含印制电路板自动布线） 、 可编程逻辑器件设计、 图表生成、 电子表格生成、 支持宏操作等功能， 并具有 Client/Server （客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如 ORCAD， PSPICE，EXCEL 等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度 PCB 的 100布通率。 4.2.2 电路图的绘制 启动 Protel 99 软件，新建 sch 文件，根据前面设计的电路，调用合适的元件，开始绘 制电路图。同电路设计类似，电路图的设计同样各部分都要一一对应。各部分功能都相应 实现，电路图的设计，功能调试，完成后，进行检测。 北华航天工业学院毕业论文 15 电路图的完成如下： 图 4-1 光栅尺电路图 4.3 电子版图布线设计 在完成电路图后，要对电路进行版图设计，这一处更加费时费力，把对应的器件，电 阻，模块选取出来，放到模板上，首先确定模板范围，然后各器件和模块的摆放，位置的 不一样，让布线的难易不一样，在这一点上，经过多次的实验，不断地改良中，层板改为 2 层，上下层，模板大小更加紧凑，精细。 下面将对版图各部分进行图片示意，在版图设计中，布局尤为关键，但是还有一个不 可忽视的问题存在，可实现性。不是所有版图最精细，最简省就是好的，可采用的，工艺 上有些是达不到的， 所以在设计中还要考虑到可实现性的问题， 在这一方面， 我缺乏经验， 却得到指导老师的指导，对于一些理论存在，但无法实现的部分作了修改和调整，最后， 将各部分图片展示如下： 电路上层的完成版图： 北华航天工业学院毕业论文 16 图 4-2 上层版图 电路下层的完成版图： 图 4-3 下层版图 电路器件模块布局图： 图 4-4 布局图 版图底层反面图： 北华航天工业学院毕业论文 17 图 4-5 底面图 最终完成的版图设计如下： 图 4-6 完成图 版图的设计中，软件提供了自动布线，但是实际存在是否可以实现的问题，所以在版 图的设计中我经过了多次的布线，设计，重新布局，甚至电路都改了很多次，相应的版图 也要重新设计，这是这次设计中最为困难的一部分，直到最后的认定可行，经过了大量的 工作和实验。在这过程中的辛苦和汗水换来了最后版图设计的成功。 清单如表 4-1 表 4-1 元件清单 封装元件值数量 08053007 08052K5 080543K8 0805100K3 0805220uH1 10053300P1 PAD-10 测点1 PAD-12.5V 测点1 PAD-15V1 PAD-190 测点1 PAD-1180 测点1 PAD-1GND1 SIP-31K2 北华航天工业学院毕业论文 18 SIP-320K1 SIP-420K1 SIP-55K1 SIP-5CON51 SIP-7CON71 SO-1626LS311 SOL-20PDC92041 SOT-23TL4311 4.4 主要技术性能指标 表 4-2 性能指标 量程（mm）01100 准确度（m/m）3（200.5） 测量分辨率（m）0.5m 光栅工作间隙0.81.2mm 测量重复性1 个分辨率 玻璃尺厚度0.18mm 玻璃尺宽度12mm 工作电压5V 工作速度60M/min 输出信号A，B 俩路正弦信号 五细分适配器 输入波形：相差 90 度俩路正弦信号 输出波形：相差 90 的俩路 TTL 方波信号 电缆最长0.55M 外形尺寸（长*宽*高）40mm*16mm*24mm 工作温度-10+50 北华航天工业学院毕业论文 19 第 5 章光栅尺的制造与安装 5.1 光栅尺的制造 电子信息技术是当今新技术革命的核心,其技术基础是电子元器件(以下简称元器 件) ，其中大部分是微电子器件。元器件是电子设备和系统的基本单元,为了提高系统的 可靠性,必须首先保证元器件的可靠性,但是即使高可靠性的元器件，在最好的生产工艺和 生产控制下，仍然不可避免地会产生一些有缺陷、质量不符合要求的产品。所以在装机前 对元器件进行测试筛选就显得尤其重要。 5.1.1 元器件筛选的目的和作用 筛选是通过检验和试验剔除不合格或有可能早期失效产品的方法。 检验包括在规定环 境条件下的目视检查、功能测量等，某些功能测试是在强应力下进行的。电子元器件筛选 分为一次筛选和二次筛选。 一次筛选也称成品筛选, 是由元器件生产厂按元器件技术标准 和订货合同要求进行的出厂前筛选。二次筛选是元器件用户在元器件到货后进行的筛选。 筛选的目的是有效地剔除早期失效产品， 使失效率降低到可接受的水平。 元器件筛选是提 高电子元器件使用可靠性的重要手段， 因而也是提高电子产品固有可靠性的有效手段。 元 器件经过筛选可以发现并剔除在制造、工艺、材料方面的缺陷和隐患。元器件筛选对于空 空导弹这样在飞行任务期间没有可能维修、可靠性指标要求又很高的产品尤其重要。 5.1.2 元器件筛选的原理 元器件是整机的基础,它在制造过程中可能会由于本身固有的缺陷或制造工艺的控制 不当，在使用中形成与时间或应力有关的失效。为了保证整批元器件的可靠性，满足整机 要求，必须把使用条件下可能出现初期失效的元器件剔除。 元器件的失效率随时间变化的过程可以用类似“浴盆曲线”的失效率曲线来描述,早 期失效率随时间的增加而迅速下降，使用寿命期(或称偶然失效期)内失效率基本不变。筛 选的过程就是促使元器件提前进入失效率基本保持常数的使用寿命期,同时在此期间剔除 失效的元器件。 事物的好与坏的判别必须要有标准去衡量。 判断元器件的失效与否是由失效判别标准 即失效判据所确定的。失效判据是质量和可靠性的指标，有时也有成本的内涵，所以元器 件失效不仅指功能的完全丧失，而且指电学特性或物理参数降低到不能满足规定的要求。 简而言之，产品失去规定的功能称为失效。 失效一般分为现场失效和试验失效。现场失效一般是在装机以后出现的失效，因此， 北华航天工业学院毕业论文 20 我们在元器件测试筛选过程中只考虑试验失效。试验失效主要是封装失效和电性能失效。 封装失效主要依靠环境应力筛选来检测。 所谓环境应力筛选， 即在筛选时选择若干典型的 环境因素，施加于产品的硬件上，使各种潜在的缺陷加速为早期故障,然后加以排除,使产 品可靠性接近设计的固有可靠性水平， 而不使产品受到疲劳损伤。 在正常情况下是通过在 检测时施加一段时间的环境应力后，对外观的检查(主要是镜检，根据元器件的质量要求， 采用放大 10 倍对元器件外观进行检测，也可以根据需要安排红外线及 X 射线检查) ，以 及气密性筛选来完成，当有特殊需要时，可以增加一些 DPA(破坏性物理分析)等特殊测 试；这些筛选项目对电性能失效模式不会产生触发效果。所以,一般将封装失效的筛选放 在前面,电性能失效的筛选放在后面。 电性能失效可以分为连结性失效、功能性失效和电参数失效。连结性失效指开路、短 路以及电阻值大小的变化， 这类失效在元器件失效中占有较大的比例。 因为在元器件筛选 测试过程中，由于过电应力所引起的大多为连结性失效，同时,连结性失效可以引发功能 性失效和电参数失效，但是功能性失效和电参数失效不会引发连结性失效。主要原因是， 当连结性失效模式被特定的筛选条件触发时，往往出现的现象为元器件封装涂覆发生锈 蚀、外壳断裂、引线熔断、脱落或者与其他引线短路，主要表现为机械和热应力损伤,但 是有时并不表现为连结性故障，而是反映为金属疲劳、键合强度不够等问题，这些本身不 会引发连结性失效， 但是会引发功能性失效和电参数失效， 需要通过功能性和电参数监测 才能发现。但是，电路的功能性失效和电参数失效被特定的的筛选条件触发时，出现的现 象是某些特定的功能失效、电参数超差等。造成这些失效的主要原因在于：制造、设计中 的缺陷以及生产工艺控制不严， 使生产过程中各种生产要素如空气洁净度等级、 超纯水的 质量监测、 超纯气体和化学试剂达不到规定的要求； 在运输转运过程中由于防静电措施不 到位也会发生静电损伤。这些因素作用下半导体晶体会受到各种表面污染物的玷污,会使 产品不能达到规定的质量等级要求。 当受到特定的外部条件激发的情况下， 就会产生功能 性失效和电参数失效， 但是这些功能性失效和电参数失效造成的影响往往只能造成元器件 部分的功能失去作用，还不能使芯片的封装和各部分的连结线出现烧毁、短路、开路等现 象,所以电路的功能性失效和电参数失效与连结性失效不产生引发效果。 5.1.3 电子元器件筛选方案 在安排测试筛选先后次序时,有两种方案： 方案1:将不产生连环引发效果的失效模式筛选放在前面,将可以与其他失效模式产生 连环引发效果的失效模式筛选放在后面。 方案2:将可以与其他失效模式产生连环引发效果的失效模式筛选放在前面,将不产生 连环引发效果的失效模式筛选放在后面。 如果选择方案1,会发现将可以与其他失效模式产生连环引发效果的失效模式筛选放 北华航天工业学院毕业论文 21 在后面时,出现本身失效模式没有被触发、其他关联的相关失效模式被触发的情况时,这种 带有缺陷的元器件不能被准确地定位、 剔除,因为该类失效模式的检测已经在前面做过了。 而选择方案2就可以非常有效地避免上述问题的发生,使筛选过程优质、经济和高效。 因此,决定元器件测试筛选先后次序的原则是: 1失效概率最大的筛选方法首先做。 2 当一种失效模式可以与其他失效模式产生关联时,应将此失效模式的筛选放在前面。 3使用不同方法对同一种失效模式进行筛选时,首先考虑失效概率的分布,容易触发失 效的筛选方法首先进行。 4考虑经济性,便宜的先做。 5考虑时间性,时间长的后做。 6测试顺序的安排是后面的参数能够检查元器件经前面参数测试后可能产生的变化。 对有耐电压、绝缘电阻测试要求的元器件,耐压在前、绝缘在后,功能参数最后测试;对有击 穿电压和漏电流测试要求的元器件,击穿电压在前,漏电流在后,功能参数最后测试。 5.2 光栅尺的安装 光栅线位移传感器的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位。 一般将主尺安装在机床的工作台 （滑板） 上， 随机床走刀而动， 读数头固定在床身上， 尽可能使读数头安装在主尺的下方。 其安装方式的选择必须注意切屑、 切削液及油液的溅 落方向。 如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时， 则必须增加辅助密封 装置。另外，一般情况下，读数头应尽量安装在相对机床静止部件上，此时输出导线不移 动易固定，而尺身则应安装在相对机床运动的部件上（如滑板） 。 5.2.1 位移传感器安装基面 安装光栅线位移传感器时， 不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上， 更不能安 装在打底涂漆的机床身上。 光栅主尺及读数头分别安装在机床相对运动的两个部件上。 用 千分表检查机床工作台的主尺安装面与导轨运动的方向平行度。 千分表固定在床身上， 移 动工作台，要求达到平行度为 0.1mm/1000mm 以内。如果不能达到这个要求，则需设计 加工一件光栅尺基座。基座要求做到：应加一根与光栅尺尺身长度相等的基座（最好基 座长出光栅尺 50mm 左右） 。该基座通过铣、磨工序加工，保证其平面平行度 0.1mm/1000mm 以内。另外，还需加工一件与尺身基座等高的读数头基座。读数头的基座 与尺身的基座总共误差不得大于0.2mm。安装时，调整读数头位置，达到读数头与光栅 尺尺身的平行度为 0.1mm 左右，读数头与光栅尺尺身之间的间距为 11.5mm 左右。 北华航天工业学院毕业论文 22 5.2.2 位移传感器主尺安装 将光栅主尺用 M4 螺钉上在机床安装的工作台安装面上，但不要上紧，把千分表固定 在床身上，移动工作台（主尺与工作台同时移动） 。用千分表测量主尺平面与机床导轨运 动方向的平行度，调整主尺 M4 螺钉位置，使主尺平行度满足 0.1mm/1000mm 以内时， 把 M2 螺钉彻底上紧。在安装光栅主尺时，应注意如下三点： （1） 在装主尺时，如安装超过 1.5M 以上的光栅时，不能象桥梁式只安装两端头， 尚需在整个主尺尺身中有支撑。 （2） 在有基座情况下安装好后，最好用一个卡子卡住尺身中点（或几点） 。 （3） 不能安装卡子时，最好用玻璃胶粘住光栅尺身，使基尺与主尺固定好 6。 5.2.3 位移传感器读数头的安装 在安装读数头时，首先应保证读数头的基面达到安装要求，然后再安装读数头，其安 装方法与主尺相似。最后调整读数头，使读数头与光栅主尺平行度保证在 0.1mm 之内， 其读数头与主尺的间隙控制在 11.5mm 以内。 5.2.4 位移传感器限位装置 光栅线位移传感器全部安装完以后， 一定要在机床导轨上安装限位装置， 以免机床加 工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。另外，用户在选购光栅线位移传 感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸 100mm 左右的光栅尺，以留有余量。 5.2.5 位移传感器检查 光栅线位移传感器安装完毕后，可接通数显表，移动工作台，观察数显表计数是否正 常。 在机床上选取一个参考位置， 来回移动工作点至该选取的位置。 数显表读数应相同 （或 回零） 。另外也可使用千分表（或百分表） ，使千分表与数显表同时调至零（或记忆起始数 据） ，往返多次后回到初始位置，观察数显表与千分表的数据是否一致。 通过以上工作， 光栅传感器的安装就完成了。 但对于一般的机床加工环境来讲， 铁屑、 切削液及油污较多。因此，光栅传感器应附带加装护罩，护罩的设计是按照光栅传感器的 外形截面放大留一定的空间尺寸确定， 护罩通常采用橡皮密封， 使其具备一定的防水防油 能力 6。 北华航天工业学院毕业论文 23 5.2.6 光栅传感器安装注意事项 （1）光栅传感器与数显表插头座插拔时应关闭电源后进行。 （2）尽可能外加保护罩，并及时清理溅落在尺上的切屑和油液，严格防止任何异物 进入光栅传感器壳体内部。 （3）定期检查各安装联接螺钉是否松动。 （4）为延长防尘密封条的寿命，可在密封条上均匀涂上一薄层硅油，注意勿溅落在 玻璃光栅刻划面上。 （5） 为保证光栅传感器使用的可靠性，可每隔一定时间用乙醇混合液（各 50%） 清洗擦拭光栅尺面及指示光栅面，保持玻璃光栅尺面清洁。 （6） 光栅传感器严禁剧烈震动及摔打，以免破坏光栅尺，如光栅尺断裂，光栅传感 器即失效了。 （7） 不要自行拆开光栅传感器，更不能任意改动主栅尺与副栅尺的相对间距，否则 一方面可能破坏光栅传感器的精度； 另一方面还可能造成主栅尺与副栅尺的相对摩擦， 损 坏铬层也就损坏了栅线，以而造成光栅尺报废。 （8） 应注意防止油污及水污染光栅尺面，以免破坏光栅尺线条纹分布，引起测量误 差。 （9） 光栅传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作， 以免腐蚀光栅铬层及 光栅尺表面，破坏光栅尺质量。周知，在 PLC 控制过程当中，CPU 对进程中的 PID 运算 总是显得很难处理，这是由于 PID 运算会带来很大的运算量，使得在运算过程中，可能 会有很多的控制量处于不确定状态。这对于确定性控制是致命的威胁。 北华航天工业学院毕业论文 24 第 6 章 结论 在指导老师的大力支持和辛苦教导下， 绝对式光栅尺的设计得以顺利结束。 本设计用 于数控机床的位移测量。 从开始的莫尔条纹码原理， 到后来的软件指导， 都让我受益匪浅， 本设计由于目的在于位移测量， 要求细致操作， 任何不当操作和用力使用都会对传感器造 成严重不可修复的伤害。需要在使用中重点注意。 本设计总结性的介绍了以下内容： 1对光栅基本原理的阐述，测量原理的介绍等等基本信息。再熟悉光栅原理的前提 下，要求实现高精度的位移测量，我们采用了 5 细分电路的设计思想，并且因为光栅原理 我们使用 4 种不同相位的信号，产生辨向电路，判别位移正负向。由于测量位移的数量级 极小，我们必须使用放大电路，同时要消除干扰。最后获取 A,B，Z 信号，并对周期进行 计数，换算为位移大小，实现测距的电路思路设计； 2在获取了电路设计的同时，我们还要将思想实际化，即生产实物。而在俩者间， 我们需要设计电子版图。这一点深受导师的启发，软件的设计，调试，思路，都得到导师 的大力帮助，电子电路图设计是很细致的过程，在这方面很下了一番功夫，软件的帮助下 自动可以生成电子版图，由于自动的布线，不同的位置都需要优化和调整，在这一环节， 设计上来讲，要求对软件和电路非常熟悉； 3 在电子版图和电子电路完成后， 本设计提出安装工艺上的流程和安装的注意事项， 制作工艺是设计上很讲究技术的一部分； 4介绍了安装调试，及测量中的使用方法； 5最后对整个设计思路，方法进行了总结。 光栅传感器的设计作为数控上的研究课题， 在未来不断精确地要求下会不断的往更加 精细的方向发展，随着技术的进不，设计方法和思路也将越来越先进。随着全球的极小化 变化，工艺上要求更加细微，位移的测量始终是最受欢迎的课题，设计越精细，越精准， 越受到未来的青睐。 光栅传感器的测距在某种程度上做为检测手段， 是未来不可少的一部 分，掌握这种设计技术越先进，在未来将越有竞争力。 北华航天工业学院毕业论文 25 致谢 本文研究工作是在我的导师王援朝教授的精心指导和悉心关怀下完成的， 从开题伊始 到论文结束， 我所取得的每一个进步、 编写的每一段程序都无不倾注着导师辛勤的汗水和 心血。导师严谨的治学态度、渊博的各科知识、无私的奉献精神使我深受启迪，从尊敬的 导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在今后的学习工 作中，我将铭记恩师对我的