精密工作台的光栅定位测量系统设计

1、课 程 设 计 说 明 书设计题目：精密工作台的光栅定位测量系统设计目 录第一章国内外现状概述.3第二章总体方案设计.7第三章测量方法设计.10第四章控制方法设计.11第五章总结.16第六章参考文献.17第一章国内外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。 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

2、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

3、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

4、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，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

5、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

6、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、品种比较单一1。第二章总体方案设计 2.1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

7、，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，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2。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

8、的定位系统要便于控制，而且响应速度快。2.2总体方案框图2.3说明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。(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

9、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3。第三章测量方法设计3.1测量方案框图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。当两块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尔条纹，在条纹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不同的光电信号，由4个光电器

10、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3.2测量原理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

11、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4。3.3 测量精度分析扭转角的测量是根据奠尔条纹宽度变化或者奠尔条纹在测量坐标系中的倾角变化求解，因此测量扭转角的精度，决定于对莫尔条纹宽度变化的最小分辨力或者是对莫尔条纹倾角变化的最小分辨力。以条纹宽度为分析对象对测量角分辨力进行分析。两光栅的间距一定时，莫尔条纹的宽度由两光栅夹角的大小决定5。表1给出两光栅的栅线间距d=42m，两光栅夹

12、角在0.5°5°变化，并以0.5°为增长步长时对应的条纹宽度。图2给出两光栅的栅线间距d=42m，两光栅夹角在0.5°5°连续变化时引起的莫尔条纹宽度的变化。从表l和图2可以看出，随着两光栅夹角的增大，奠尔条纹的宽度逐渐变小。两光栅的栅线夹角在0.5°到1.5°变化时，莫尔条纹的宽度由粗到细，并且随两光栅夹角的变化梯度较大，两光栅夹角2°到5°变化时，莫尔条纹的宽度变化随两光栅夹角的变化趋于平缓。图2中并未画出两光栅夹角在0°到0.5°变化时引起的奠尔条纹宽度变化在这个夹角范围内，奠尔

13、条纹的宽度从无穷大变化到48129m，变化非常剧烈。显然两光栅夹角越小，莫尔条纹宽度越宽时，测量灵敏度和测量精度越高。当两光栅夹角在0°到0.5°变化时，虽然在这个夹角范围内进行测量时测量灵敏度最高，精度也最高。当两光栅夹角处于0.5°1.5°这个范围时，测量灵敏度较高，测量精度也较高，而且CCD也可接收到有效的莫尔条纹数。图3是两光棚的栅线间距d=42m，横坐标表示两光栅夹角处于0.5°1.5°变化，并且2000等分，即以18的步长递增，纵坐标对应每个角度步长对应的莫尔条纹宽度递减量。当两光栅夹角接近0.5°时，两光栅夹角

14、有一个步长，即1.8的变化量时，奠尔条纹宽度递减量大于4.5m，当两光栅夹角接近1.5°时，两光栅夹角有一个步长的变化量时，奠尔条纹宽度递减量接近0.5m。因为本系统的像元尺寸为8.42m×8.38m，莫尔条纹的宽度变化量在0.54.5m变化，即莫尔条纹的宽度变化量小于一个像元尺寸时，CCD无法分辨，当两光栅夹角大于1.5°时，莫尔条纹的宽度变化量更小，CCD更是无法分辨，不能满足高精度测量要求。本文对CCD采集的莫尔条纹图像进行亚像素细分以提高测量精度。第四章控制方法设计4.1.仪器控制方案控制方案原理，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

15、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6。4.2测控电路的框图及要求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

16、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

17、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

18、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。第五章总结本课程设计的总结和展望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