精密工作台的光栅定位测量与控制系统课程设计报告 精密工作台的光栅定位测量与控制系统课程设计报告班 级 报告人姓名 学 号 指导老师 完成时间 2014年 1 月 3 日 摘 要 随着现代科学技术的迅速发展，定位测量与控制系统是精密仪器中的一个重要组成部分，特别是对高精度的仪器尤为重要。精密工作台光栅定位测量与控制系统是一种包括激光干涉仪、光栅、线纹尺、感应同步器、磁栅及码盘等多个元器件组成的精确地的定位测量与控制系统。本次课程设计提出精密工作台光栅定位测量与控制系统的设计方案。设计了工作台的结构。以光栅莫尔条纹为基础，设计了工作台的光学系统，采用100线对/mm的光栅尺，即栅距为10um。对莫尔条纹的工作原理、光电转换技术和细分技术进行了分析。设计了相位跟踪细分法对莫尔条纹进行20倍细分。利用8051单片机和8253计数器对脉冲进行计数，通过RS232接口实现通讯，并由PID控制器进行实时控制。目前，精密定位测量技术已经相当成熟，但随着现代工业技术的发展，对精密定位测量的要求也会随之提高。为了满足更高的要求，精密定位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。关键词：光栅定位系统；光纤光栅传感器；激光干涉仪；测量控制目 录第1章 绪论11.1 国外研究发展及现状11.2 国内研究发展及现状21.3 测量方法3第2章 总体设计方案52.1 方案构思52.2 运动范围和精度的实现7第3章 测量方法设计83.1 测量方案框图8图2 测量方案框图83.2 测量原理详述83.2.1 光栅传感器83.2.2 光栅莫尔条纹的辨向28113.2.2 软硬件电路实现12第4章 控制方法设计154.1 控制系统总体方案154.2 控制原理154.3 软、硬件的实现16第5章 测控电路总设计18第6章 总结21参考文献22第1章 绪论1.1 国外研究发展及现状 最早的光栅，要归功于美国天文学家李敦豪斯（David Rittenhouse，1732 1796）。1786年，他在两根由钟表匠制作的细牙螺丝之间，平行地绕上细丝，在暗室里透过它去看百叶窗上的小狭缝时，观察到三个亮度差不多相同的像，在每边还有几个另外的像，“离主线越远，它们越暗淡，有彩色， 并且有些模糊。”1他实际上制成了透射光栅，还在费城做了光栅实验。他制作的最好光栅，约为4.3/mm。1801 年杨氏（Thomas Young，17731829）在“光的理论”一文中，介绍了他研究光栅的情况。他利用一块刻有相邻间隔约为 0.05mm 的一系列平行线的玻璃测微尺，当作光栅，作了如下的观察:“让阳光以45方向入射，当其以某一条刻线为轴旋转时，可以测出光的偏转角；我发现最亮的红线出现在偏转角为10.5，20.75，32和 45处，它们的正弦之比为1，2，3和4。”21813年，他认识到所观察到的彩色是由于相邻刻线的微小距离所致。在光栅发展早期，人们对光栅的认识还只是初步的，在光栅制作上也仅仅是开始偿试。3从20世纪50年代至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。它们有各自的优点，相互补充，在竞争中都得到了发展。但光栅测量系统的综合技术性能优于其它4种，而且其制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。在栅式测量系统中，光栅的占有率已超过80%，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。 计量光栅技术的基础莫尔条纹（Moire fringes）是由英国物理学家L Rayleigh首先提出的。到20世纪50年代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，即在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，可制造出高精度、价格低廉的光栅刻度尺，所以光栅计量仪器才被广大用户所接受，并进入商品市场。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，并一直应用至今。60年代初，德国Heidenhain公司开始开发光栅尺和圆栅编码器，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，可实现1m和1角秒的测量分辨率。1966年又制造出了栅距为20m（50线/mm）的封闭式直线光栅编码器。在80年代又推出了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。1987年，又提出一种新的干涉原理，即采用衍射光栅实现纳米级的测量，并允许较宽松的安装。1997年推出用于绝对编码器的EnDat双向串行快速连续接口，使绝对编码器和增量编码器一样很方便地应用于测量系统。现在光栅测量系统已十分完善，应用的领域很广，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%。在Heidenhain公司的产品销售额中，直线光栅编码器约占40%，圆光栅编码器占30%，数显、数控及倍频器占30%。Heidenhain公司总部的年销售额约为7亿欧元（不含Heidenhain跨国公司所属的40家企业）。国外企业的人均产值在1015万美元左右，研究开发人员约占雇员的10%，产品研发经费约占销售额的15%。1.2 国内研究发展及现状位置检测技术及数显技术是我国重点发展和推广的新技术。多年来在航空航天、精密机械仪器、数显数控机床等领域得到了广泛的应用，已成为高科技的组成部分。随着微电子技术的迅速发展和微处理器的出现，采用电子学细分和数字化处理的方 法对对测量传感器的节距进行电子细分和误差修正，以提高测量系统的分辨率和系统准确度已成为可能。20世纪90年代，中国的数显技术和装备，从研究开发逐步走向商品化、产品化、国际化，并参与了国际交换和竞争。数显技术从20世纪80年代以数显技术改造传统的机床行业为起点，发展到21世纪以“数显装置”装备了中国的机床产业，使机床的数显化率达到30%，达到发达国家水平，数显装置以经济适用的价格，普及到整个机床行业，给“中国制造”奠定了基础。在检测系统中，光栅占有明显优势，有着广泛的市场前景。4我国在光栅方面的研究起步较晚，始于1960年前后，并在长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B &L公司等）还有一定的差距，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，但是出于种种原因且直到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，使整个现代工业加工的基础领域能有较大的发展，从而使得工业经济的发展。51.3 测量方法现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科，涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学科的支持。在现代工业制造技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智能化的发展趋势6。就其测量精度而言已由微米向纳米提升，而这是离不开测量技术与设备的。 现阶段的测量技术主要有：扫描探针显微镜（STM）其空间分辨率可达极高（平行和垂直分辨率可达0.1nm和0.01nm），广泛应用于表面科学、材料科学和生命科学等研究领域；扫描X射线干涉技术是利用单晶硅的晶面间距作为亚纳米精度的基本测量单位，加上X射线波长比可见光波波长小2个数量级，有可能实现0.01nm的分辨率；光学干涉显微镜包括外差干涉测量技术（光外差干涉轮廓仪具有0.1nm分辨率）、超短波长干涉测量技术、基于FP（FebryPerot）标准的测量技术（具有极高的灵敏度和准确度，精度0.001nm）等；超精密测量电容测微仪其特点是非接触测量，精度高、价格低，但测量范围有限，测量稳定性和漂移常令人不满意；双频激光干涉仪-精度高，测量范围大，因此常用于超精密机床作位置测量和位置控制测量反馈元件，但这种测量方法对环境要求高，对生产机床在时间加工中往往过于苛刻，很难加以保证7。 以上几种测量技术高造价或者高环境要求，而超精密光栅尺不但有价格便宜，环境要求低的优点外，还具又很多优势：（一） 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结果，故对刻划误差又均化作用，因此利用莫尔条纹信号所测量的位置精度较线纹尺高，可用于高精度的定位系统。（二） 读数速率高莫尔条纹的取数率一般取决与光电接收元件和所使用电路的时间常数，取数率可从每秒零至数十万次，既可用于静止的也可用于运动的，非常适于动态测量的定位系统。（三） 分辨率高光刻、复制技术和微电子技术的发展以及莫尔条纹细分技术日益成熟，使光栅测量分辨率能达到纳米级。（四） 读数易实现数字化、自动化莫尔条纹信号接近正弦，比较适合与电路处理，故其测量位移的莫尔条纹可用光电转换以数字形式显示或输入计算机，实现自动化且稳定可靠。 另外由光栅产生的莫尔条纹也有优点：（1）将光栅常数非常小的、高精度的、人眼不能直接观察的光栅放大，可以用人眼或仪器直接观察到莫尔条纹，测量精度可以达到1m；（2）条纹呈周期变化，便于读数和消除随机误差；（3）光栅尺可以印在塑料薄膜上，成本低，使用方便。第2章 总体设计方案2.1 方案构思本文采用在研制垂直扫描白光干涉表面三维测试系统时设计的一种微位移工作台。该工作台采用了粗、精两级定位机构，测量时大范围的扫描由步进电机驱动精密丝杠机构完成，纳米级的定位则由压电陶瓷驱动叠层式平行平板柔性铰链机构来实现;以衍射光栅作为位置测量传感器，反射式衍射光栅贴在工作台上，符合阿贝测量原则。设计的工作台可以实现0300 mm的位移范围，0.5m的定位分辨力。作为理想精密微动工作台，应满足下列要求：1) 微动工作台的支承或导轨副应无机械磨擦和无间隙，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，同时还应满足工作行程；2) 微动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) 微动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；微动系统要便于控制，而且响应速度快。本文设计主要由光栅定位传感器、直流电机和直流电机驱动器等部