精密工作台的光栅定位测量与控制系统设计

精密工作台的光栅定位测量与控制系统设计精密工作台的光栅定位测量与控制系统设计 姓名 学号 班级 09 测控 1 班 指导老师 陈本永 王丽敏 2 目录目录 1 国内外现状概述国内外现状概述 3 1 1概述 3 1 2光栅检测现状 4 2 总体方案设计总体方案设计 5 2 1方案构思 5 2 2说明 6 3 测量系统设计测量系统设计 6 3 1测量方案 6 3 2光栅尺位移传感器 7 3 3光电转换 9 3 4信号细分电路 12 4 控制系统设计控制系统设计 15 4 1控制方案 15 4 2静态参数设计 16 4 3动态特性分析 16 4 4硬件电路的实现 18 5 测控电路测控电路 21 5 1测控总体方案 21 5 2测控电路 21 6 展望与总结展望与总结 23 7 参考文献参考文献 24 3 1 国内外现状概述国内外现状概述 1 1概述概述 作为精密机械与精密仪器的关键技术之一一微位移技术 近年来随着微电子技术 宇航 生物 工程等学科的发展而迅速的发展起来 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 l l0 光波波长的表面 即几何形状误差小于 0 5u m 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 1um 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 20 世纪 70 年代后期 微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 256K 动态 RAM 线 宽已缩小到 1 25um 左右 目前己小于 0 1um 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 X 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 1 3 1 5 即亚微米甚至纳米级的精度 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 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 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 60m min 至 480m min 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 4 1 2光栅检测现状光栅检测现状 光栅数字测量系统是数显机床 数控机床和测量机的重要组成部分 是由光栅传感器和光栅 倍频器 插补和数字化电子装置 组成 光栅传感器是作为位移测量元件 光栅倍频器是对光栅 信号进行电子细分和数字化处理 光栅编码器是利用刻划在各种各样载体 如玻璃 玻璃陶瓷 固态钢或钢带 上的光栅作为 测量标准 并通过光电扫描进行分度 编码器的精度和温度特性可以通过刻划和选择载体来优化 光栅编码器又分为直线编码器 光栅尺 和圆编码器 而圆编码器又分为旋转编码器 作为旋转 轴的反馈部件 和角度编码器 作为转台的角度测量部件 对于编码器的结构又分为开启式的和 封闭式的 它是以测量各个坐标的位移来实现对设备的数显和数控 因此测量系统的精度就决定了 设备的精度 目前光栅数字测量系统的精度已有微米级 亚微米级和纳米级三个档次 光栅测量系统的长处是性能稳定 可靠性好 精度高 测量范围大 使用方便 价格适中 和 其他测量系统相比有着明显的优势 在当今国际市场上光栅测量系统要占到 80 以上 目前光栅测量系统的测量步距已达 1nm 准确度达到 0 5um 测量长度己达 30m 最大移动 速度已达 480m min 最大加速度已达 250m s2 最大传输距离达 150m 目前全世界能制造光栅测量系统的国家除我国外还有德国 日本 美国 英国 西班牙 奥地 利 意大利 俄国 韩国和印度等 估计年产量超过 70 万坐标 其中以德国 HEIDENHAIN 海德 汉 公司为最著名 半个世纪以来 其技术 品种 产量都绝对领先于其他国家 1999 年 HEIDENHAIN 公司的雇员为 4000 人 其中研究开发人员约 300 人 销售额为 5 5 亿欧元 其各 个品种的增长率分别为 开启式光栅尺 30 封闭式光栅尺 3 旋转编码器 5 角度编码器 4 长度规 3 数显表 DRO 18 数控装置 TNC 4 我国在光栅方面的研究起步较晚 始于 1960 年前后 并在光栅和圆光栅的制造 应用方面取 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 如德国的 OPTION HEIDENHAIN 公司 日本的三丰 双叶 美国的 BEQU 标号赋值伪指令 SP1BIT P3 7 ORG 0 START MOV Count 00H NEXT MOV A Count MOV B 10 DIV AB A 除以 B 商 存于 A 余 下 B MOV DPTR TABLE MOVC A A DPTR MOV P0 A MOV A B MOVC A A DPTR MOV P2 A WT JNB SP1 WT SP 为 0 转移 中断程序 WAIT JB SP1 WAIT SP 为 1 转移 LCALL DELY10MS 调用显示子程序 JB SP1 WAIT INC Count Count 加 1 MOV A Count CJNE A 100 NEXT 累加器与立即数不等转移 LJMP START 返回初始值 DELY10MS MOV R6 20 子程序 D1 MOV R7 248 DJNZ R7 DJNZ R6 D1 RET 子程序返回 TABLE DB 3FH 06H 5BH 4FH 66H 6DH 7DH 07H 7FH 6FH 0 9 子程序 END 21 5 测控电路测控电路 5 1测控总体方案测控总体方案 PC 微机给定一个初始位移信号 初始信号经过单片机转化成电信号 电信号中可能有其他噪 声 垃圾信号的干扰 经过滤波电路后去除不必要的信号 由于信号比较小 为了方便直流电机的 读取 在直流电机前添加放大电路 放大后的信号驱动直流电机转动 从而带动工作台的移动 工 作台的移动造成了莫尔条纹的变化 光栅传感器将光信号转化为电信号 由于精度的要求 需要将此脉冲信号进行细分 达到更高 的精度 电信号通过一个电阻链 5 倍频细分电路 输出两路相位差为 90 度的方波信号 刚好满足 4 细分电路的输入要求 电信号经单稳 4 细分电路进一步细分 细分后的信号由 1 个 16 位的计数 器接收 计数器上显示此时的位移量 信号反馈回单片机 单片机将此时的位移量与初始位移进行 比较 将比较后的差值再次送入直流电机 进行更进一步的校正 测控系统总体方案框图见图 5 1 单片机放大电路伺服电机 光电转换光栅传感器辨向细分电路计数器 PC 机工作台 图 5 1 测控系统总体方案框图 5 2测控电路测控电路 测控电路如图 5 2 所示 依次可拆分为 光电转换电路 电阻链五倍频细分电路 单稳四细分 辨向电路 单片机脉冲计数与显示电路 步进电机驱动电路 光电转换电路 采用两个两光电推挽式接收电路及一个 180 度移相电路 电阻链五倍频细分电路 实现对正余弦模拟信号的细分 输出为相位差为 90 度的方波信号 由电阻移相网络 比较器 逻辑电路组成 可与 4 细分电路级联 单稳四细分辨向电路 利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分 输出可直接送入计数器 22 单片机脉冲计数与显示电路 由两个共阴数码管 51 单片机 复位电路 晶振电路组成 23 图 5 2 测控电路 24 6 展望与总结展望与总结 作为大学即将结束时的最后一次课程设计 这次课程设计有着很重要的意义 它不仅为即将到 来的毕业设计奠定了基础 更是对大学所学知识的一次总结 这次课程设计涵盖了数字电路 模拟 电路 测控电路 传感器 控制工程基础 单片机 精密仪器设计等学科 其中电路图的绘制还涉 及到了 Protel 的使用 首先 这次课程设计是对自己所学知识的一次融会贯通 通过对精密工作台光栅定位测量与控 制系统的设计 实现了各科知识的串联与交汇 电路方面涉及到了光电转换电路 差分放大电路 移相电路 单稳四细分辨向电路 电阻链 5 倍频细分电路等 传感器方面涉及到了光栅尺位移传感 器 控制工程方面涉及到了开环 闭环伺服系统 单片机方面涉及到了单片机脉冲计数器 步进电 机的驱动等 总之 通过这次课程设计 对于掌握机 光 电 算技术结合的仪器总体设计有关基 础理论知识有很大的帮助 其次 对于这次课程设计本身所研究的课题有了比较基础的了解 光栅定位测量与控制系统的 大致思路是 单片机驱动步进电机运动 步进电机带动工作台移动 工作台的移动造成了莫尔条纹 的变化 光栅尺位移传感器测量实时位移 通过光电探测器实现了位移信号向电信号的转换 电信 号经过细分电路达到系统所要求的精度 细分后的信号由计数器计数并显示 信号反馈回单片机 单片机对实时信号与给定信号比较并给出更精确的控制信号 其次 在这次课程设计中 参考了一些中外文资料 这对于扩展自己的思维有很大的帮助 虽 然真正引用的只占了其中的一部分 但不可否认 还是学到了一些知识 比如单光栅测量位移 利 用压电陶瓷微动机构实现对精密工作工作台的校正等 最后 这次课程设计是毕业设计的前奏 本次课程设计为毕业设计的开展做了很好的引导和铺 垫 一些典型的问题处理起来将会更加得心应手 比如 如何布置论文的行文格式 如何针对性地 寻找资料 如何从各种资料中筛选有用的信息等 如果说这次课程设计是对自己大学学习的一次小 总结 那么毕业设计就是对大学各科知识的一次更深入的关联 25 7 参考文献参考文献 1 李庆祥 王东生 李玉和 现代精密仪器设计 M 清华大学出版社 2004 2 张国雄 测控电路 M 机械工业出版社 2011 3 童诗白 华成英 模拟电子技术基础 M 高等教育出版社 2006 4 阎石 数字电子技术基础 M 高等教育出版社 2004 5 史敬灼 步进电动机伺服控制技术 M 科学出版社 2006 23 26 6 蒋小军 黄惠杰 王向朝 基于光栅传感器的位移测量仪的研制 J 电子测量技术 2008 7 147 152 7 苏大图 光学测试技术 M 北京理工大学出版社 1996 8 杨康 精密工作台光栅定位测量与控制系统的设计 J 浙江理工大学 2006 9 徐良元 刘勇 朱灵 霍玉峰 吴路生 某仪表车床的光栅测量系统的设计研究 J 农业工 程与信息技术 2008 489 493 10 颜嘉男 伺服电机应用技术 M 科学出版社 2010 37 71 11 吕海宝 基于虚拟仪器技术的光栅位移测量系统 J 仪表技术与传感器 2004 12 23 25 12 李岩 精密光栅纳米级承载工作台设计与研究 D 长春理工大学 2007 13 张英杰 海淘 一种辨别莫尔条纹形状的实时性辨向电路 J 现代电子技术 2004 19 5 29 31 14 李晖 刘庭欣 光栅莫尔条纹的辨向和细分电路研究 J 辽宁大学学报 2003 30 2 127 125 15 田德文 莫尔条纹在测量中的应用 J 遥测遥控 1986 3 37 40 16 孙亮 精密工作台光栅定位测量与控制系统设计 J 测试技术 2007 1 47 48 17 蔚婷 乔学光 贾振安 等 单光纤实现位移温度同时同步测量 J 传感技术学报 2005 2 358 362 18 李丰丽 钟金刚 位移的莫尔条纹测量技术 J 实验技术与管理 2002 30 33 19 袁小滨 李怀琼 光栅莫尔条纹数字细分技术及其误差分析 J 西安公路交通大学学报 2001 21 1 113 115 20 李欣 黄世涛 光栅莫尔条纹细分技术的研究 J 仪器仪表与检测报 2004 18 12 83 85 21 彭志龙 岳水坚 一种硬件细分方法的研究与应用 J 中科院光电技术研究所 2003 29 4 23 32 22 李怀琼 陈钱 庄小栋 新型光栅信号数字细分技术及其误差分析 J 计量学报 2001 22 4 77 85 26 23 余文新 胡小唐 邹自强 一种高分辨率和高频响的光栅纳米测量细分方法 J 天津大学学 报 2002 35 1 1 4 24 刘文文 费业泰 高精度的光栅信号细分算法 J 应用科学学报 1999 8 3 13 25 徐航 光栅信号的相位细分与数字编码技术 J 装甲兵工程学院学报 1995 9 1 2 1 26 梁海锋 严一心 基于光栅传感器位移测量的软 硬件设计 J 现代电子技术 2003 23 88 89 27 束小梅 左勇 徐晓波 长度光栅测量系统的误差修正技术 J 计量测试与检定 2010 20 5 10 13 28 张善钟 测量光栅技术 M 北京 机械工业出版社 1985 29 祝绍箕 黄宣邵 曹向群 光栅数字显示技术及应用 M 北京 机械工业出版社 1992 30 卢国钢 现代光栅测量技术 J 世界制造技术与装备 2002 5 10 13 31 马修水 费叶泰 陈晓怀等 一种新型纳米光栅传感器的理论研究 J 仪器仪表学报 2006 2 159 164 32 楚兴春 纳米光栅干涉位移测量关键技术的研究 D 国防科技大学仪器科学与技术研究生论 文 2005 33 欧阳航空 陆林海 基于 DSP 的光栅莫尔条纹信号辨向与细分电路研究 J 制造业自动化 2005 27 5 5 7 34 刘保录 提高计量光栅尺分辨率的几种细分方法 J 兰州工业高等专科学校学报 1995 2 45 49 35 闫丽 段发阶 方志强 基于 EPM7128 的光栅位移传感器信号细分电路模块的设计 J 计量 与测试技术 2005 32 3 5 8 36 左胜广 冯进良 张桂源 张荣 张尧禹 基于 DSP 信号处理的变栅距光栅位移测量系统设 计 J 长春理工大学学报 34 2 12 15 37 刘正坤 变栅距光栅位移传感器的若干问题 D 中国科学技术大学博士学位论文 2009 38 黄向慧 基于高速单片机控制的位移测量系统设计 J 工况自动化 2006 4 44 46 39 李树秋 郑万波 杨勇健 单片机 160 细分的原理和实现 J 仪器仪表学报 2005 26 8 566 580 40 节德刚 刘延杰 孙立宁 陈智超 蔡鹤皋 基于双光栅尺的高速高精度位移测量方法 J 光学精密工程 2007 15 7 1077 1083 41 金建新 输出正交正弦波的光栅尺在位移测量中的脉冲细分原理 J 自动化仪表 2002 23 1 17 19 42 WALKER C A Historical review of Moire interferometry J Experimental Mechanics 1994 34 4 281 299 27 43 WANG F QI X D Grating heterodyne interferometer of high accuracy controlling photoelectric grating ruling engine J Laser Technology 2008 32 5 474 476 44 LATIME P Talbot plane patterns grating image or interference effe