周密工作臺的光柵定位測量系統(tǒng)設計

1、課程設計說明書設計題目：周密工作臺的光柵定位測量系統(tǒng)設計第一章.國內(nèi)外現(xiàn)狀概述3第二章.整體方案設計7第三章.測量方式設計10第四章.操縱方式設計11第五章.總結(jié)16第六章.參考文獻17第一章.國內(nèi)外現(xiàn)狀概述隨著數(shù)控技術(shù)在機床制造領域的普及，現(xiàn)代機床在加工速度，加工精度和靠得住性方面都有了龐大的進步。作為數(shù)控機床核心技術(shù)之一的光柵測量技術(shù)對保障現(xiàn)代機床的各項性能指標起著決定性的作用。清楚了解現(xiàn)代光柵測量技術(shù)的進展趨勢，正確選擇適合自身需求的光柵測量系統(tǒng)對機床設計師和機床用戶有著重要的意義。全閉環(huán)操縱慢慢成為標準，由周密絲杠和編碼器組成的半閉環(huán)操縱系統(tǒng)關(guān)于機床熱變形致使的加工誤差無法進行補償。在

2、過去的十余年中，采納數(shù)學建模預測變形或通過實時測量溫度轉(zhuǎn)變來計算變形等嘗試在技術(shù)上和經(jīng)濟性上都未能取得令人中意的結(jié)果。采納全閉環(huán)操縱結(jié)構(gòu)的機床，機床傳動部件的熱變形處于位置操縱環(huán)之內(nèi)，誤差自動取得補償。與半閉環(huán)系統(tǒng)不同，全閉環(huán)系統(tǒng)的補償成效幾乎不隨機床工況，磨損狀況及加工程序的不同而發(fā)生轉(zhuǎn)變，機床能夠長期維持初始加工精度。這關(guān)于機床生產(chǎn)廠家和用戶來講，都意味著龐大的經(jīng)濟效益。絕對式光柵正成為趨勢，所謂絕對式光柵是相關(guān)于增量式光柵而言的，增量式光柵通過對光柵探頭掃描過的柵線進行計數(shù)來取得相對運動的距離數(shù)據(jù)。為了取得絕對位置，增量式光柵在開機后須執(zhí)行過參考點動作。絕對式光柵以不同寬度，不同間距的柵

3、線將絕對位置數(shù)據(jù)以編碼形式直接制作到光柵上，光柵開機后立刻能夠提供絕對位置信息，無需執(zhí)行過參考點動作。通常絕對式光柵在絕對軌之外還同時配備有增量軌，用以進一步提高光柵的精度與分辨率。現(xiàn)今世界，提高運營效率己成為整個制造行業(yè)面臨的重大課題，因此，測控技術(shù)也隨之掀起了不斷革新的浪潮。在這種注重經(jīng)營和技術(shù)創(chuàng)新的前提下，對測量儀器行業(yè)也提出了更高的要求，即量儀產(chǎn)品必需實現(xiàn)高速、高精度和系統(tǒng)化，而且必需與IT產(chǎn)業(yè)的進展相對應,同時應進一步增強質(zhì)量治理測量技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)中的一個重要組成部份，它是進行生產(chǎn)活動的依據(jù)，它支撐著社會的技術(shù)進步，為眾多領域的科學探討活動提供實驗和觀測手腕，為人類有序的生產(chǎn)活動提供

4、必需的技術(shù)保障。測量技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)設備、平安裝置、社會技術(shù)保障體系、大型高速交通運載工具、醫(yī)療系統(tǒng)和國防工程的核心技術(shù)。作為周密機械與周密儀器的關(guān)鍵技術(shù)之一的微位移技術(shù)，最近幾年來隨著微電子術(shù)、宇航、生物工程等學科的進展而迅速地進展起來。而定位與測量技術(shù)的水平幾乎左右著位移技術(shù)的進展，因此直接阻礙到微電子技術(shù)等高精度工業(yè)的進展。目前，光柵位移測量技術(shù)已經(jīng)相當做熟，但隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的進展，對光柵位移測量的要求也會隨之提高。為了知足更高的要求,光柵位移測量技術(shù)不但要達到更高的分辨率，還要適應更復雜的工作環(huán)境。在長氣宇檢測系統(tǒng)中，光柵測量系統(tǒng)占有明顯優(yōu)勢，有著普遍的市場前景。柵式測量系統(tǒng)是將

5、一個柵距周期內(nèi)的絕對式測量和周期外的增量式測量結(jié)合起來，測量單位不是像激光一樣的光波波長，而是通用的米制（或英制）標尺。光柵長度測量系統(tǒng)的分辨率已覆蓋微米級、亞微米級和納米級；測量速度從60m/min至480m/min。測量長度從Im、3m至30m和100m。1999年10月在中國召開的“面向21世紀計量測試理論與儀器”研討會以為:納米級測量己經(jīng)成為現(xiàn)今測量領域的熱點，在新的世記要繼續(xù)解決好納米尺度的產(chǎn)生、標定及傳遞的理論和技術(shù)，制造出更新型的納米精度的計量測試儀器。在如此背景下，周密工作臺光柵定位測量與操縱系統(tǒng)設計也就如此應運而生，該研究能專門好的知足超周密加工和超周密檢測的要求，對現(xiàn)代工業(yè)

6、技術(shù)的進展具有重要意義。我國在光柵方面的研究起步較晚，于1960年前后，并在光柵和圓光柵的制造、用方面取得了許多功效?？墒?，咱們與現(xiàn)今世界上要緊的光柵測量裝置生產(chǎn)廠家相較（德國的OPTION、Heidenhain公司、日本的三豐、雙葉、美國的B&L公司等）有必然的差距，要緊表此刻：制造精度比較低、批量程度差、品種比較單一。第二章.整體方案設計方案的構(gòu)思本次課程設計為周密工作臺光柵定位測量與操縱系統(tǒng)的設計，以計量光柵為基礎，通過對莫爾條紋的工作原理、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)和電子細分技術(shù)進行分析，設計周密工作臺的光柵定位測量系統(tǒng)。實現(xiàn)周密工作臺機構(gòu)的方案比較多，用途也很普遍，依照不同的要求，采取不同

7、的方案，應以知足利用要求而又經(jīng)濟合理為準那么。但作為精度補償用的周密工作臺，因它的精度要求比較高，一樣都在亞微米級以上，因此設計時知足利用要求外，還應具有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。作為理想周密微動工作臺，應知足以下要求：1 .周密工作臺的支承或?qū)к壐睉獰o機械摩擦和無間隙，使其具有較高的位移分辨率，以保證高的定位精度和重復精度，同時還應知足工作進程；2 .周密工作臺應具有較高的幾何精度，即顛擺、滾擺和搖擺誤差耍小，還應具有較高的精度穩(wěn)固性；3 .周密工作臺應具有較高的固有頻率，以確保微動臺有良好的動態(tài)特性和抗干擾能力，即最好采納直接驅(qū)動的方式，無傳動環(huán)節(jié)；4 .周密工作臺的定位系統(tǒng)要便于操縱，而

8、且響應速度快。.整體方案框圖.說明計量光柵具有以下優(yōu)勢：(1)測量精度高。計量光柵應用莫爾條紋原理。莫爾條紋是由許多刻線綜合作用的結(jié)果，故對刻畫誤差有均化作用。因此利用莫爾條紋信號所測量地位置精度較線紋尺等高，可用于微米級，亞微米級的定位系統(tǒng)。(2)讀數(shù)速度高。莫爾條紋的取數(shù)率一樣取決于光電接收元件和所利用電路的時刻常數(shù)，能夠從每秒零次至數(shù)十萬次，既可用于靜止的,也能夠用于運動的，超級適合動態(tài)測量定位系統(tǒng)。(3)分辨率高。經(jīng)常使用光柵柵距為10-50um,細分后很容易做到的分辨率，最高分辨率可達到。(4)讀數(shù)易實現(xiàn)數(shù)字化，自動化。莫爾條紋信號接近正弦，比較適合于電路處置.，故其測量位移的莫爾條

9、紋可用光電轉(zhuǎn)化以數(shù)字形式顯示或輸入運算機，實現(xiàn)自動化，且穩(wěn)固靠得住。第三章.測量方式設計測量方案框圖光電檢測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電流信號，由光柵傳感器產(chǎn)生兩組信號別離結(jié)果差動放大與整形器整形后，輸出脈沖信號，然后結(jié)果細分電路進入點偏激系統(tǒng)，從而點偏激對輸入脈沖進行技術(shù)。當兩塊光柵以微笑傾角重疊時，在與光柵刻度大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋，在條紋移動的方向上放置光電探測器，可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，如此就可實現(xiàn)位移信號到電信號的轉(zhuǎn)換。由于位移是一個矢量，既要檢測其大小，又要檢測其方向，一次至少需要兩路相位不同的光電信號，由4個光電器件取得的4路光電信號別離送到2只差分放大器輸入端，從差分放

10、大器輸出的2路信號其相位為pi/2,結(jié)果整形器后整形為占空比為1:1的方波，由于光柵在作正向火反應移動時，從差分放大器輸出的兩路信號相位差都是pi/2,將2個信號進行比較，就能夠夠?qū)π盘栠M行辨向，在對信號進行辨向后，辨向后的信號通過細分，打到更高的精度，經(jīng)細分后的信號通過計數(shù)器，實現(xiàn)位移的測量測量原理光柵測量位移的實質(zhì)是以光柵柵距為一把標準尺子對位移量進行量。為了提高系統(tǒng)分辯率，需要對莫爾條紋進行細分，設計采納了電子細分方式。當兩塊光柵以微小傾角重疊時，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋，隨著光柵的移動，莫爾條紋也隨之上下移動。如此就把對光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對莫爾條紋個數(shù)的測量，同時

11、莫爾條紋又具有光學放大作用，其放大倍數(shù)為K=K/d-4/O(1)式中：W為莫爾條紋寬度；d為光柵柵距（節(jié)距）；0為兩塊光柵的夾角,rad.如以下圖，計量光柵分為振幅光柵和相位光柵叫E2光卷|測原理國測量精度分析扭轉(zhuǎn)角的測量是依照奠爾條紋寬度轉(zhuǎn)變或奠爾條紋在測量坐標系中的傾角轉(zhuǎn)變求解，因此測量扭轉(zhuǎn)角的精度，決定于對莫爾條紋寬度轉(zhuǎn)變的最小分辨力或是對莫爾條紋傾角轉(zhuǎn)變的最小分辨力。以條紋寬度為分析對象對測量角分辨力進行分析。兩光柵的間距一按時，莫爾條紋的寬度由兩光柵夾角的大小決定。表1給出兩光柵的柵線間距d=42um,兩光柵夾角在。5°轉(zhuǎn)變，并以。為增加步長時對應的條紋寬度。圖2給出兩光柵

12、的柵線間距d=42um,兩光柵夾角在。5。持續(xù)轉(zhuǎn)變時引發(fā)的莫爾條紋寬度的轉(zhuǎn)變。表1兩光柵夾角與莫爾條紋寬度的對應關(guān)系Tabic1RelationshipbetweenangleandMoirtfringewidthAnglb0.511520Z53Q3.5404550WUhWion榴2240612039626876015344«1從表1和圖2能夠看出，隨著兩光柵夾角的增大，莫爾條紋的寬度慢慢變小。兩光柵的柵線夾角在。至轉(zhuǎn)變時，莫爾條紋的寬度由粗到細，而且隨兩光柵夾角的轉(zhuǎn)變梯度較大，兩光柵夾角2。到5。轉(zhuǎn)變時，莫爾條紋的寬度轉(zhuǎn)變隨兩光柵夾角的轉(zhuǎn)變趨于平緩。圖2中并未畫出兩光柵夾角在0&#

13、176;至轉(zhuǎn)變時引發(fā)的奠爾條紋寬度轉(zhuǎn)變.在那個夾角范圍內(nèi)，奠爾條紋的寬度從無窮大轉(zhuǎn)變到4812.9urn,轉(zhuǎn)變超級猛烈。ONV 看號 *-cgFig.2 Relicicmbip between aa比 aad Moir* fringe width圖2條紋寬度隨.兩光柵夾角的變化Fig.3 RehtKWuhip between fmge width degremon and 9agk stepBetween I SMivkied by 2000圖3條紋寬度遞減量與步長變化關(guān)系顯然兩光柵夾角越小，莫爾條紋寬度越寬時，測量靈敏度和測量精度越高。當兩光柵夾角在0°至轉(zhuǎn)變時，盡管在那個夾角范圍

14、內(nèi)進行測量時測量靈敏度最高，精度也最高。當兩光柵夾角處于。那個范圍時，測量靈敏度較高，測量精度也較高，而且CCD也可接收到有效的莫爾條紋數(shù)。圖3是兩光棚的柵線間距d=42um,橫坐標表示兩光柵夾角處于。轉(zhuǎn)變，而且2000等分，即以1.8的步長遞增，縱坐標對應每一個角度步長對應的莫爾條紋寬度遞減量。當兩光柵夾角接近。時，兩光柵夾角有一個步長，即的轉(zhuǎn)變量時，莫爾條紋寬度遞減量大于um,當兩光柵夾角接近。時，兩光柵夾角有一個步長的轉(zhuǎn)變量時，莫爾條紋寬度遞減量接近um。因為本系統(tǒng)的像元尺寸為"mXurn,莫爾條紋的寬度轉(zhuǎn)變量在um轉(zhuǎn)變，即莫爾條紋的寬度轉(zhuǎn)變量小于一個像元尺寸時，CCD無法分辨

15、，當兩光柵夾角大于。時，莫爾條紋的寬度轉(zhuǎn)變量更小，CCD更是無法分辨，不能知足高精度測量要求。木文對CCD搜集的莫爾條紋圖像進行亞像素細分.以提高測量精度。第四章.操縱方式設計.儀器操縱方案操縱方案原理，本次課程設計采納51系列單片機作為操縱部份的核心元件，鍵盤輸入后，單片機通過驅(qū)動器對步進電機進行驅(qū)動，步進電機的運轉(zhuǎn)帶動整個工作臺，光柵測量系統(tǒng)對其進行測量，測量所得的信號經(jīng)處置、計數(shù)顯示并傳遞給單片機，從而實現(xiàn)了整個操縱系統(tǒng)的閉環(huán)操縱。測控電路的框圖及要求在一個莫爾條紋寬度內(nèi)依照必然距離放置4個電器件就能夠?qū)崿F(xiàn)電子細分與判向功能。木系統(tǒng)采納的光柵尺柵線為50對/mm，其光柵柵距為，假設采納四

16、細分后即可取得分辨率為5Um的計數(shù)脈沖。由于位移是一個矢量,即要檢測其大小,又要檢測其方向，因此至少需要兩路相位不同的光電信號。為了排除共模干擾、直流分量和偶次諧波咱們采納了由低漂,移運放組成的差分放大器。由4個光電器件取得的4路光電信號別離送到2只差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的兩路信號其相位差為兀/2,為取得判向和計數(shù)脈沖，需對這兩路信號進行整形,第一把它們整形為占空比為1：1的方波，經(jīng)由兩個與或非門74LS54芯片組成的四細分判向電路輸入可逆計數(shù)器，最后送入由8031組成的單片機系統(tǒng)中進行處置。測量方面5倍頻細分和4細分辨向電路在采納莫爾條紋測量位移的時候，假設單純的對一個額周期進行

17、技術(shù)，那么一路的分辨率確實是一個周期，所測得的分辨率較難打到較高要求，因此，需要依照周期性測量信號的剝削，振幅或相位的轉(zhuǎn)變規(guī)律，在一個周期內(nèi)進行插值，也確實是細分，從而取得更高的精度，電子細分確實是把柵距進行N等分，是時刻域上通過相對信息的測量打到細分的目的。通過光電轉(zhuǎn)換，將莫爾條紋轉(zhuǎn)成電信號，轉(zhuǎn)換后的電信號在倍頻細分電路中需要結(jié)合電阻鏈細分，電阻鏈細分確實是將正弦信號施加在電阻鏈的兩頭，在電阻鏈的節(jié)點上可取得幅值和相位各不相同的信號，這些信號經(jīng)整形，脈沖形成后，就能夠在正余弦信號的一個周期內(nèi)取得假設干計數(shù)脈沖，實現(xiàn)細分圖4是一個既能避免誤脈沖又能提高分辨率的四倍頻細分電路。在那個地址，采納了

18、有經(jīng)歷功能的D型觸發(fā)器和時鐘發(fā)生電路。由圖4可見，每一道有兩個D觸發(fā)器串接，如此，在時鐘脈沖的距離中，兩個Q端（如對應B道的74LS175的第二、7引腳）維持前兩個時鐘期的輸入狀態(tài)，假設二者相同，那么表示時鐘距離中無轉(zhuǎn)變；不然，能夠依照二者關(guān)系判定出它的轉(zhuǎn)變方向，從而產(chǎn)生'正向'或'反向輸出脈沖。當某道由于振動在高'、'低'間往復轉(zhuǎn)變時，將交替產(chǎn)生正向'和'反向'脈沖，這在對兩個計數(shù)器取代數(shù)和時就可排除它們的阻礙（下面儀器的讀數(shù)也將涉及這點）。由此可見，時鐘發(fā)生器的頻率應大于振動頻率的可能最大值。由圖4還可看出，在原一個脈沖信號的周期內(nèi)，取得了四個計數(shù)脈沖。B通道正向脈沖mmnnnnnnnmi逆向脈沖!innnrLmmnnnn(b)困4四倍計數(shù)方式的波形和電路第五章.總結(jié)本課程設計的總結(jié)和展望在對這次課程設計的題目有了必然的了解后，查閱了相關(guān)的文獻和講義后，依照其運動范圍100mm和精度，初步確信了周密工作臺的光柵定位測量和操縱系統(tǒng)的整體方案。確信