絕對式光柵尺畢業(yè)論文.pdf

畢業(yè)設計報告（論文） 報告（論文）題目：絕對式光柵尺 作者所在系部：電子工程系 作者所在專業(yè)：電子信息工程 作者所在班級：B006214 作 者 姓 名 ：賈曉帥 作 者 學 號 ：20064021420 指導教師姓名：王援朝 完 成 時 間 ：2008 年 6 月 20 日 北華航天工業(yè)學院教務處 北華航天工業(yè)學院北華航天工業(yè)學院 畢業(yè)設計畢業(yè)設計( (論文論文) )任務書任務書( (理工類理工類) ) 學生姓名： 賈曉帥專業(yè)：電子信息工程 班級：B06214學號：200621420 指導教師： 王援朝職稱： 工程師完成時間： 10/6/2010 畢業(yè)設計(論文)題目： 絕對式光柵尺 題目來源 教師科研 課題 縱向課題（） 題目類型 理論研究（） 注：請直 接在所屬 項目括號 內打 “” 橫向課題（）應用研究（） 教師自擬課題（）應用設計（） 學生自擬課題（）其他（） 總體設計要求及技術要點： 該傳感器與光柵數(shù)顯表,或與電子細分卡、計算機、PLC，或與數(shù)控單元一起組成 測量、控制系統(tǒng)。被廣泛地用于數(shù)控鏜床、銑床、車床、磨床、電加工機床、鏜銑床、 加工中心、專用機床、測量機、工作臺、激光加工、半導體加工等數(shù)控設備。 主要特色：基準器刻有兩個定位碼道，精碼道用于柵尺判向和細分，粗碼道它以二 進制偽隨機碼編程，再通過與其配用的譯碼顯示器使全長的測量范圍內的任意位置實 現(xiàn)單值函數(shù)的測量，實時確定光柵尺移動的絕對位置。極大地提高了系統(tǒng)的 抗干擾能 力。 工作環(huán)境及技術條件： 主要技術指標： 量程 5011000mm工作速度 30120m/min準確度515m分辨率 0.5m 工作溫度-10+50C耐振動 2035M/sec 2 工作及最終成果： 1. 絕對式直線編碼器 JGX-7 光柵傳感器系統(tǒng)分析與論證 2. 絕對式直線編碼器 JGX-7 光柵傳感器產品結構分析與設計 3. 絕對式直線編碼器 JGX-7 光柵傳感器電路設計 4. 絕對式直線編碼器 JGX-7 光柵傳感器電路板設計與制作 5. 絕對式直線編碼器 JGX-7 光柵傳感器產品電路及總體安裝調試 成果： 1.畢業(yè)設計論文 2.設計產品實物 3.全套分析、設計技術資料 時間進度安排： 第 56 周參觀、布置任務 第 78 周收集技術資料，完成技術可行性論證并撰寫開題報告 第 910 周系統(tǒng)分析與論證 第 1112 周結構分析與設計 第 1314 周電路板設計與制作、總體安裝與調試 第 1516 周撰寫畢業(yè)設計論文 第 17 周畢業(yè)設計論文答辯及成績評定 指導教師簽字：年月日 教研室主任意見： 教研室主任簽字：年月日 北華航天工業(yè)學院 本科生畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性及知識產權聲明 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 絕對式光柵尺 是本人在指導教師的指導下， 獨立進行研究工作取得的成果。 除文中已經注明引用的內容 外，本設計（論文）不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本設計 （論文）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。因本畢業(yè)設計 （論文）引起的法律結果完全由本人承擔。 本畢業(yè)設計（論文）成果歸北華航天工業(yè)學院所有。本人遵循北華航天工業(yè)學院有關 畢業(yè)設計（論文）的相關規(guī)定，提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本。本人同意北 華航天工業(yè)學院有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服 務； 可以采用影印、 縮印、 數(shù)字化或其它復制手段保存論文； 在不以營利為目的的前提下， 可以公布非涉密畢業(yè)設計（論文）的部分或全部內容。 特此聲明 畢業(yè)設計（論文）作者：指導教師： 年月日年月日 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 摘要 絕對式光柵尺， 是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置， 經常應用于數(shù)控機床的 閉環(huán)伺服系統(tǒng)中。 本文就光柵的數(shù)據采集， 信號的細分辨相作詳細的研討和論證。 本設計的主要特點就 是能夠對光柵尺實時定位得到絕對位置， 并通過辨向細分電路對信號處理使其測量輸出的 信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應速度快的特點。 關鍵詞：辨向細分電路 數(shù)據采集 光柵尺 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 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 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 目錄 第 1 章 緒論. 1 1.1 光柵傳感器簡介1 1.2 課題背景1 1.3 課題的建立以及本文完成的主要工作2 第 2 章光柵測量技術. 3 2.1 光柵簡介3 2.2 光柵測量原理4 2.2.1 信息采集原理 4 2.2.2 裂相窗口測量原理 5 2.2.3 絕對位移測量 6 第 3 章光柵尺的電路設計. 7 3.1 光柵尺辨相技術7 3.1.1 辨相的原理 7 3.1.2 辨相電路 9 3.2 細分原理10 3.2.1 四細分 10 3.2.2 五細分 11 第 4 章光柵尺版圖制作. 14 4.1 版圖制作概況14 4.2 版圖制作設計14 4.2.1 軟件環(huán)境介紹 14 4.2.2 電路圖的繪制 14 4.3 電子版圖布線設計15 4.4 主要技術性能指標18 第 5 章光柵尺的制造與安裝. 19 5.1 光柵尺的制造.19 5.1.1 元器件篩選的目的和作用 19 5.1.2 元器件篩選的原理 19 5.1.3 電子元器件篩選方案 20 5.2 光柵尺的安裝.21 5.2.1 位移傳感器安裝基面 21 5.2.2 位移傳感器主尺安裝 22 5.2.3 位移傳感器讀數(shù)頭的安裝 22 5.2.4 位移傳感器限位裝置 22 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 5.2.5 位移傳感器檢查 22 5.2.6 光柵傳感器安裝注意事項 23 第 6 章 結論. 24 致謝. 25 參考文獻. 26 附錄. 27 附錄 1.27 附錄 2.32 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 1 絕對式光柵尺 第 1 章 緒論 1.1 光柵傳感器簡介 傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、 熱、濕度）或化學組成（如煙霧） ，并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。 國家標準 GB7665-87 對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的 規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置， 通常由敏感元件和轉換元件組成”。 傳感器是一種檢 測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號 或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、 記錄和控制等要求。 它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。 光柵尺位移傳感器（簡稱光柵尺） ，是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置。光 柵尺位移傳感器經常應用于數(shù)控機床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中， 可用作直線位移或者角位移的檢 測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應速度快的特點。 例如，在數(shù)控機床中常用于對刀具和工件的坐標進行檢測，來觀察和跟蹤走刀誤差，以起 到一個補償?shù)毒叩倪\動誤差的作用。 光柵尺位移傳感器按照制造方法和光學原理的不同，分為透射光柵和反射光柵。 1.2 課題背景 從上個世紀 50 年代到 70 年代柵式測量系統(tǒng)從感應同步器發(fā)展到光柵、 磁柵、 容柵和 球柵， 這 5 種測量系統(tǒng)都是將一個柵距周期內的絕對式測量和周期外的增量式測量結合了 起來，測量單位不是像激光一樣的是光波波長，而是通用的米制（或英制）標尺。它們有 各自的優(yōu)勢，相互補充，在競爭中都得到了發(fā)展。由于光柵測量系統(tǒng)的綜合技術性能優(yōu)于 其他 4 種，而且制造費用又比感應同步器、磁柵、球柵低，因此光柵發(fā)展得最快，技術性 能最高，市場占有率最高，產業(yè)最大。光柵在柵式測量系統(tǒng)中的占有率已超過 80%，光 柵長度測量系統(tǒng)的分辨力已覆蓋微米級、亞微米級和納米級，測量速度從 60m/min，到 480m/min。測量長度從 1m、3m 達到 30m 和 100m。 計量光柵技術的基礎是莫爾條紋 （Moire fringes） ， 1874 年由英國物理學家 L.Rayleigh 首先提出這種圖案的工程價值， 直到 20 世紀 50 年代人們才開始利用光柵的莫爾條紋進行 精密測量。1950 年德國 Heidenhain 首創(chuàng) DIADUR 復制工藝，也就是在玻璃基板上蒸發(fā)鍍 鉻的光刻復制工藝，這才能制造高精度、價廉的光柵刻度尺，光柵計量儀器才能為用戶所 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 2 接受，進入商品市場。1953 年英國 Ferranti 公司提出了一個 4 相信號系統(tǒng)，可以在一個莫 爾條紋周期實現(xiàn) 4 倍頻細分，并能鑒別移動方向，這就是 4 倍頻鑒相技術，是光柵測量系 統(tǒng)的基礎，并一直廣泛應用至今。 德國 Heidenhain 公司 1961 年開始開發(fā)光柵尺和圓柵傳感器，并制造出柵距為 4m （250 線/mm）的光柵尺和 10000 線/轉的圓光柵測量系統(tǒng)，能實現(xiàn) 1 微米和 1 角秒的測量 分辨力。1966 年制造出了柵距為 20m（50 線/mm）的封閉式直線光柵傳感器。在 80 年 代又推出 AURODUR 工藝，是在鋼基材料上制作高反射率的金屬線紋反射光柵。并在光 柵一個參考標記（零位）的基礎上增加了距離編碼。在 1987 年又提出一種新的干涉原理， 采用衍射光柵實現(xiàn)納米級的測量，并允許較寬松的安裝。1997 年推出用于絕對傳感器的 EnDat 雙向串行快速連續(xù)接口，使絕對傳感器和增量傳感器一樣很方便的應用于測量系 統(tǒng)?，F(xiàn)在光柵測量系統(tǒng)已十分完善，應用的領域很廣泛，全世界光柵直線傳感器的年產量 在 60 萬件左右，其中封閉式光柵尺約占 85%，開啟式光柵尺約占 15%。 1.3 課題的建立以及本文完成的主要工作 本文主要包括以下內容： 1光柵傳感器的設計原理，設計方法，設計的實現(xiàn)，原理的建立和聯(lián)系到原理所產 生的設計方法，方法的優(yōu)缺點，困難，和解決思路。在原理的完成，查漏，補全以及替換 上反復驗證。各部分的采用實現(xiàn)，適合的元器件選擇，理論的完成設計思想。 2使用 protel 99 工具，學會使用工具，再熟悉并可以使用的基礎上根據完成的電路 設計，畫出原理電路圖，結合元器件的選擇，在版圖制作中進行版圖制作，根據實際的生 產情況，對版圖的制作進行修改加工，在實際的基礎上完成對版圖的制作。在這里需要對 實際工作的認識和熟悉，加工工藝的要求在這里要有充分的認識。 3熟悉光柵傳感器的制作工藝，了解生產過程，在工程生產中所要求的注意事項， 在工藝中實際的實現(xiàn)有技術要求， 要聯(lián)系到實際可能性和實用性， 最后完成并生產出實際 的光柵傳感器。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 3 第 2 章光柵測量技術 2.1 光柵簡介 光柵作為重要的分光器件， 它的選擇與性能直接影響整個系統(tǒng)性能。 光柵分為刻劃光 柵、復制光柵、全息光柵等?？虅澒鈻攀怯勉@石刻刀在涂薄金屬表面機械刻劃而成；復制 光柵是用母光柵復制而成。 典型刻劃光柵和復制光柵的刻槽是三角形。 全息光柵是由激光 干涉條紋光刻而成。全息光柵通常包括正弦刻槽?？虅澒鈻啪哂醒苌湫矢叩奶攸c，全息 光柵光譜范圍廣，雜散光低，且可作到高光譜分辨率。 反射式衍射光柵是在襯底上周期地刻劃很多微細的刻槽， 一系列平行刻槽的間隔與波 長相當， 光柵表面涂上一層高反射率金屬膜。 光柵溝槽表面反射的輻射相互作用產生衍射 和干涉。對某波長，在大多數(shù)方向消失，只在一定的有限方向出現(xiàn)，這些方向確定了衍射 級次。如圖 1 所示，光柵刻槽垂直輻射入射平面，輻射與光柵法線入射角為，衍射角為 ， 衍射級次為 m， d 為刻槽間距， 在下述條件下得到干涉的極大值： M=d （sin+sin） 定義為入射光線與衍射光線夾角的一半，即=(-)/2；為相對于零級光譜位 置的光柵角，即=(+)/2,得到更方便的光柵方程： m=2dcossin 從該光柵方程可看出： 對一給定方向，可以有幾個波長與級次 m 相對應滿足光柵方程。比如 600nm 的 一級輻射和 300nm 的二級輻射、200nm 的三級輻射有相同的衍射角，這就是為什么要加 消二級光譜濾光片輪的意義。 衍射級次 m 可正可負。 對相同級次的多波長在不同的分布開。 含多波長的輻射方向固定，旋轉光柵，改變，則在+不變的方向得到不同的波 長。 光柵單色儀的分辨率 R 是分開兩條臨近譜線能力的度量，根據羅蘭判據為： R=/ 光柵光譜儀中有實際意義的定義是測量單個譜線的半高寬(FWHM)。實際上，分辨率 依賴于光柵的分辨本領、系統(tǒng)的有效焦長、設定的狹縫寬度、系統(tǒng)的光學像差以及其它參 數(shù)。 R MF/W M-光柵線數(shù) F-譜儀焦距 W-狹縫寬度。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 4 2.2 光柵測量原理 2.2.1 信息采集原理 傳感器的目的是把現(xiàn)實生活中的各種物理、 化學信息轉化成電子信號從而方便數(shù)據的 后期處理。 光柵尺所完成的任務就是把位移信號轉化成相應變化的電信號。光柵尺信息采集原 理，如圖 2-1。原理概述如下：由發(fā)光源發(fā)出的激光透過光柵尺照射到光敏元件上，光敏 元件把得到的光線強度反應到電路中從而得到相應的電信號。 當然， 為了增強數(shù)據的準確 性往往在光源后和光敏元件前增設透鏡裝置。 在生產實際中，柵式光柵尺使用兩根光柵尺，如圖 2-2 所示。一根為主光尺，也就是 刻度標尺，尺的一側，均勻的刻有明暗相間的光柵條紋。另一根光柵尺很短很小，有 5 個裂相窗口，其中 4 個窗口用與辨相計數(shù)，另外的窗口用于定位，每個窗口刻有與標尺相 同柵矩的光柵條紋。當測量光柵左右移動時，透過光柵尺的光強度會有明暗的變化，通過 光敏元件把這種明暗變化用電信號表示出來，完成數(shù)據的采集。 圖 2-2光柵尺的主光柵尺與指示光柵示意圖 信號輸出 放大整形 光源 透鏡光柵尺透鏡 光敏元件 圖 2-1 光柵尺數(shù)據采集原理示意圖 測量光 柵移動 方向 定位 光柵 主光柵 裂相 窗口 0090018002700 測 量 光 柵 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 5 2.2.2 裂相窗口測量原理 上節(jié)理論上簡單介紹了光柵尺的測量原理。 在生產實際中， 柵式光柵尺使用兩根光柵 尺， 如圖 2-3 所示。 一根為主光尺， 也就是刻度標尺，上均勻的刻有明暗相間的光柵條紋。 另一根光柵尺很短很小， 有 4 個裂相窗口， 每個窗口上刻有與標尺相同柵矩的明暗相間的 光柵條紋，且 4 個窗口各自相距為柵矩的（N+1/2）倍，此光柵尺稱為測量光柵。在兩尺 的一端有光源，即發(fā)光二極管。另一端有光敏電阻，對齊窗口的位置安裝 4 對管，如圖 2-4。 圖 2-3 四裂相窗口光柵尺 圖 2-4 四裂相窗口光柵尺實物圖 使用時，主光尺是固定的，指示光柵在主光柵上移動，按照收到光照程度不同產生正 弦波，由于 4 窗口位置的相位關系，因此產生的 4 個正弦波依次相位差為 90 度。測量位 移的大小，速度的多少都經過指示光柵進行讀取和記錄。 測量光 柵移動 方向 主光柵 裂相 窗口 測 量 光 柵 0090018002700 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 6 2.2.3 絕對位移測量 普通光柵尺所測只是相對位移無法準確的得到此刻的位移量， 為了能夠對位移大小準 確定位，往往增加一個特殊的窗口（定位窗口）來采取絕對位移信號。實際制造中，常會 在主光柵尺上方每隔一定的距離刻光柵條紋。 使用時， 當定位窗口與定位光柵重合時就會 發(fā)出信息，從而確定此事測量光柵的絕對位置。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 7 第 3 章光柵尺的電路設計 3.1 光柵尺辨相技術 3.1.1 辨相的原理 上章我們已經闡述了光柵尺的信息采集，下文簡述光柵尺的如何進行辨相。 圖 3-1 首先，看一下光柵采集數(shù)據的特點： 光柵尺如圖 3-1，當用光電元件作為檢測元件接受光強明、暗變化時，就會轉換為相 應的電信號。移動測量光柵尺，兩尺柵線相對位置改變，使得每個裂相窗口中的光強發(fā)生 變化， 光電元件輸出電壓或電流波形與光強的變化類似， 是一個具有直流分量的正弦交變 信號。當主光柵尺與指示光柵對應疊放，若指示光柵 0窗口的柵線與主光柵柵線完全重 疊,如圖，刻線對齊刻線，該窗口最明亮，可認為是莫爾條紋的亮帶；180窗口兩尺柵線 完全錯開刻線對齊縫隙，窗口最黑暗，可認為是莫爾條紋的暗帶；90和 270窗口中柵線 縫隙遮擋一半，此時窗口半明半暗。光柵柵線很細肉眼看到的只是裂相窗口的平均光強。 此時，0 度窗口全明，90 度窗口半明半暗，180 度窗口全暗，270 度窗口則是半明半暗。 假設測量光柵向右移動 1/4 柵距時，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。測量光柵向右移動 1/2 柵距時，0 度窗口全暗，90 度窗口半明 半暗，180 度窗口全明，270 度窗口則是半明半暗。測量光柵向右移動 3/4 柵距時，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。繼續(xù)右移，遵 此循環(huán)，可得到圖 3-2A 所示波形。 主光尺 指示光柵 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 8 圖 3-2 波形輸出 以 90與 180窗口對應輸出的兩個正弦電信號為一組送入一個差動放大器，再把 90 與 270窗口對應輸出的兩個正弦電信號為一組送入另一個差動放大器，這樣，四個光電 接收管的信號經過兩個差動放大器后，消除了直流分量，轉換為兩路相位相差 90的正弦 交流信號 u1 、u2 輸出 同理左移測量光柵尺得到圖 3-3A 所示波形，對應合并得到圖 3-3B 所示 u1 、u2。 圖 3-3 波形輸出 總之，無論測量光柵尺從何處開始移動，只要是向左移動，u2 波形相位落后 u1 波形 90； 測量光柵尺向右移動， u2 波形相位超前 u1 波形 90。 將以上兩路信號送入辯向電路， 即可區(qū)分測量光柵尺的移動方向。 0 0 t 2 2 u1 u2 t u 0 0t 180 2 0 t 90270 u 2 A 四個光電管輸出波形 B 兩個差動放大器輸出波 0 0 t 2 2 u1 u2 t u 0 0t 180 2 0 t 27090 u 2 A四個光電管輸出波形 B 兩個差動放大器輸出波 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 9 光柵輸出的回路信號,通過差分放大電路消除直流電平,形成兩路幅值為的正弦信號 A 和 B,其相位差為 90，如圖 3-4 所示。 圖 3-4 3.1.2 辨相電路 上節(jié)得到兩路正弦信號 A 和 B,經過辨相電路，當測量光柵右移時使得計數(shù)器加計數(shù) 數(shù)，左移時減計數(shù)，此時，我們就可以完成對測量的辨相。辨相電路如圖 3-5 所示。 圖 3-5 辨相電路框圖 下面我們依據圖 3-6 所示波形來分析辨相電路如何完成辨相工作： 測量光柵左移時， u2波形相位落后 u1波形 90。 兩路信號經放大整形輸出兩路相差 90 的方波信號 u1 , u2。接著我們對 u 1 及其反向信號進行微分，得到的兩路微分信號分別 與 u2 做與運算。觀察圖形可知 Y 2有輸出而 Y1無輸出，經 RS 觸發(fā)器，Q 輸出高電平，此 時可逆計數(shù)器進行加計數(shù)。同理，測量光柵右移時，可逆計數(shù)器進行減計數(shù)。至此，我們 完成了當測量光柵右移時使得計數(shù)器加計數(shù)數(shù)， 左移時減計數(shù)的設計要求， 電路辨相完成。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 10 圖 3-6 辨相電路各點輸出波形 3.2 細分原理 經過整形電路后的輸出信號放大倍數(shù)有限， 精度也不是很高， 所以需要細分電路處理。 這就分為軟件細分和硬件細分。目前，光柵計量的軟件細分方法有：正切查表法、直接細 分法、斜率陡峭切割法等。硬件細分方法很多下面介紹幾種。 3.2.1 四細分 光柵傳感器輸出兩路相位相差為 90的方波信號 A 和 B.如圖 3-4 所示，用 A，B 兩 相信號的脈沖數(shù)表光柵走過的位移量，標志光柵分正向與反向移動四倍頻后的信號，經 計數(shù)器計數(shù)后轉化為相對位置.計數(shù)過程一般有兩種實現(xiàn)方法：一是由微處理器內部定時 計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)；二是由可逆計數(shù)器實現(xiàn)對正反向脈沖的計數(shù)。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 11 圖 3-7 光柵傳感器輸出信號示意圖 3.2.2 五細分 五細分電路可以和其他細分電路配合組成十的倍數(shù)的放大倍數(shù)， 是一種很受歡迎的專 用集成電路。 硬件五細分，通過對正弦信號移向并組合，從而實現(xiàn)細分。 首先介紹一下電阻鏈移向原理：根據戴維南的等值發(fā)電機原理，圖中 圖 3-8 電阻鏈移向原理 212122 2121212122 11222121 ()/() ()/() ()/() /()/() ab UEEERRR ERRRREERRR RRRERRRE Uab E1 R1R2 E2 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 12 令： 22 1212 ()/KRRRR 則： 11222121 1 ()() ab UK RRREK RRRE K 令： 2 sinE 1 cosE 22 112 cosRRRt 22 212 sinRRRt 則： 22 1212 22 1212 ()(sin cossincos ) () sin() ab URRRRtt RRRRt 所以當選不同的 1 R 和 2 R 值時，可獲得不同的相移角 t，從而使得正弦信號得到移相的 目的。此后，經過電路的整合達到細分的目的。 實際生產中往往采用集成電路， 電路內部框圖如圖 3-9， 輸入端有sin，cos， sin, 比較電平和絕對零點五路輸入信號，輸出 O1,O2,O。首先，sin和cos信號經過電阻鏈 1 形成sin，sin( 18 ) ，sin( 36 ) ，sin( 54 ) ，sin( 72 ) 五路信號，同理由cos和 sin產生 sin90 ，sin( 108 ) ，sin( 126 ) ，sin( 144 ) ，sin( 162 ) 。經過 過零比較器產生十路方波信號，再經過如圖組合的異或電路形成兩路相差 90 度的五細分 方波信號。以上就是五細分電路的基本原理。 至此，電路設計完畢。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 13 圖 3-9 五細分電路 O 00 180 360 540 720 900 1080 1260 1440 1620 00 360 720 1080 1440 1620 1260 900 540 180 sin cos -sin 比較電平 絕對零輸入 O2 O1 電 阻 鏈 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 14 第第 4 章章光柵尺版圖制作光柵尺版圖制作 4.1 版圖制作概況 光柵傳感器的設計，在基礎電路設計完成后，需要實現(xiàn)硬件的產品。而在這之前，還 需要光柵傳感器的版圖制作。他作為向硬件過渡的關鍵，是基于電路設計的基礎，繪制電 路版圖，利用軟件功能，實現(xiàn)硬件電路板的設計。根據軟件功能，布線布局安排好后，可 由廠家直接生產電路板，實現(xiàn)硬件的設計。 本次設計采用 Protel 99 軟件完成對電路版圖的設計和制作。在設計制作中，耗用了 大量的時間在布局設計上面，是本次設計最為耗時的環(huán)節(jié)。 4.2 版圖制作設計 Protel 99是應用最廣泛的電子線路設計軟件，使用簡單、易于學習、功能強大。此次 設計使用該軟件實現(xiàn)電路版圖的制作，繪制。為硬件設計實現(xiàn)提供指導。由于電路設計的 完成，按照原理圖，首先構建電路圖，在軟件環(huán)境中把前面提到的電路設計思想用電路圖 的形式畫出來，同時注意器件的選擇，擺放的結構，各部分細節(jié)，都要完整，不可缺失。 4.2.1 軟件環(huán)境介紹 本設計的版圖繪制環(huán)境是在 Protel 99 下完成的。 Protel 是 PORTEL 公司在 80 年代末推出的 EDA 軟件，在電子行業(yè)的 CAD 軟件中， 它當之無愧地排在眾多 EDA 軟件的前面，是電子設計者的首選軟件，它較早就在國內開 始使用，在國內的普及率也最高。完整的板級全方位電子設計系統(tǒng)，它包含了電原理圖繪 制、 模擬電路與數(shù)字電路混合信號仿真、 多層印制電路板設計 （包含印制電路板自動布線） 、 可編程邏輯器件設計、 圖表生成、 電子表格生成、 支持宏操作等功能， 并具有 Client/Server （客戶/服務器）體系結構，同時還兼容一些其它設計軟件的文件格式，如 ORCAD， PSPICE，EXCEL 等，其多層印制線路板的自動布線可實現(xiàn)高密度 PCB 的 100布通率。 4.2.2 電路圖的繪制 啟動 Protel 99 軟件，新建 sch 文件，根據前面設計的電路，調用合適的元件，開始繪 制電路圖。同電路設計類似，電路圖的設計同樣各部分都要一一對應。各部分功能都相應 實現(xiàn)，電路圖的設計，功能調試，完成后，進行檢測。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 15 電路圖的完成如下： 圖 4-1 光柵尺電路圖 4.3 電子版圖布線設計 在完成電路圖后，要對電路進行版圖設計，這一處更加費時費力，把對應的器件，電 阻，模塊選取出來，放到模板上，首先確定模板范圍，然后各器件和模塊的擺放，位置的 不一樣，讓布線的難易不一樣，在這一點上，經過多次的實驗，不斷地改良中，層板改為 2 層，上下層，模板大小更加緊湊，精細。 下面將對版圖各部分進行圖片示意，在版圖設計中，布局尤為關鍵，但是還有一個不 可忽視的問題存在，可實現(xiàn)性。不是所有版圖最精細，最簡省就是好的，可采用的，工藝 上有些是達不到的， 所以在設計中還要考慮到可實現(xiàn)性的問題， 在這一方面， 我缺乏經驗， 卻得到指導老師的指導，對于一些理論存在，但無法實現(xiàn)的部分作了修改和調整，最后， 將各部分圖片展示如下： 電路上層的完成版圖： 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 16 圖 4-2 上層版圖 電路下層的完成版圖： 圖 4-3 下層版圖 電路器件模塊布局圖： 圖 4-4 布局圖 版圖底層反面圖： 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 17 圖 4-5 底面圖 最終完成的版圖設計如下： 圖 4-6 完成圖 版圖的設計中，軟件提供了自動布線，但是實際存在是否可以實現(xiàn)的問題，所以在版 圖的設計中我經過了多次的布線，設計，重新布局，甚至電路都改了很多次，相應的版圖 也要重新設計，這是這次設計中最為困難的一部分，直到最后的認定可行，經過了大量的 工作和實驗。在這過程中的辛苦和汗水換來了最后版圖設計的成功。 清單如表 4-1 表 4-1 元件清單 封裝元件值數(shù)量 08053007 08052K5 080543K8 0805100K3 0805220uH1 10053300P1 PAD-10 測點1 PAD-12.5V 測點1 PAD-15V1 PAD-190 測點1 PAD-1180 測點1 PAD-1GND1 SIP-31K2 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 18 SIP-320K1 SIP-420K1 SIP-55K1 SIP-5CON51 SIP-7CON71 SO-1626LS311 SOL-20PDC92041 SOT-23TL4311 4.4 主要技術性能指標 表 4-2 性能指標 量程（mm）01100 準確度（m/m）3（200.5） 測量分辨率（m）0.5m 光柵工作間隙0.81.2mm 測量重復性1 個分辨率 玻璃尺厚度0.18mm 玻璃尺寬度12mm 工作電壓5V 工作速度60M/min 輸出信號A，B 倆路正弦信號 五細分適配器 輸入波形：相差 90 度倆路正弦信號 輸出波形：相差 90 的倆路 TTL 方波信號 電纜最長0.55M 外形尺寸（長*寬*高）40mm*16mm*24mm 工作溫度-10+50 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 19 第 5 章光柵尺的制造與安裝 5.1 光柵尺的制造 電子信息技術是當今新技術革命的核心,其技術基礎是電子元器件(以下簡稱元器 件) ，其中大部分是微電子器件。元器件是電子設備和系統(tǒng)的基本單元,為了提高系統(tǒng)的 可靠性,必須首先保證元器件的可靠性,但是即使高可靠性的元器件，在最好的生產工藝和 生產控制下，仍然不可避免地會產生一些有缺陷、質量不符合要求的產品。所以在裝機前 對元器件進行測試篩選就顯得尤其重要。 5.1.1 元器件篩選的目的和作用 篩選是通過檢驗和試驗剔除不合格或有可能早期失效產品的方法。 檢驗包括在規(guī)定環(huán) 境條件下的目視檢查、功能測量等，某些功能測試是在強應力下進行的。電子元器件篩選 分為一次篩選和二次篩選。 一次篩選也稱成品篩選, 是由元器件生產廠按元器件技術標準 和訂貨合同要求進行的出廠前篩選。二次篩選是元器件用戶在元器件到貨后進行的篩選。 篩選的目的是有效地剔除早期失效產品， 使失效率降低到可接受的水平。 元器件篩選是提 高電子元器件使用可靠性的重要手段， 因而也是提高電子產品固有可靠性的有效手段。 元 器件經過篩選可以發(fā)現(xiàn)并剔除在制造、工藝、材料方面的缺陷和隱患。元器件篩選對于空 空導彈這樣在飛行任務期間沒有可能維修、可靠性指標要求又很高的產品尤其重要。 5.1.2 元器件篩選的原理 元器件是整機的基礎,它在制造過程中可能會由于本身固有的缺陷或制造工藝的控制 不當，在使用中形成與時間或應力有關的失效。為了保證整批元器件的可靠性，滿足整機 要求，必須把使用條件下可能出現(xiàn)初期失效的元器件剔除。 元器件的失效率隨時間變化的過程可以用類似“浴盆曲線”的失效率曲線來描述,早 期失效率隨時間的增加而迅速下降，使用壽命期(或稱偶然失效期)內失效率基本不變。篩 選的過程就是促使元器件提前進入失效率基本保持常數(shù)的使用壽命期,同時在此期間剔除 失效的元器件。 事物的好與壞的判別必須要有標準去衡量。 判斷元器件的失效與否是由失效判別標準 即失效判據所確定的。失效判據是質量和可靠性的指標，有時也有成本的內涵，所以元器 件失效不僅指功能的完全喪失，而且指電學特性或物理參數(shù)降低到不能滿足規(guī)定的要求。 簡而言之，產品失去規(guī)定的功能稱為失效。 失效一般分為現(xiàn)場失效和試驗失效?，F(xiàn)場失效一般是在裝機以后出現(xiàn)的失效，因此， 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 20 我們在元器件測試篩選過程中只考慮試驗失效。試驗失效主要是封裝失效和電性能失效。 封裝失效主要依靠環(huán)境應力篩選來檢測。 所謂環(huán)境應力篩選， 即在篩選時選擇若干典型的 環(huán)境因素，施加于產品的硬件上，使各種潛在的缺陷加速為早期故障,然后加以排除,使產 品可靠性接近設計的固有可靠性水平， 而不使產品受到疲勞損傷。 在正常情況下是通過在 檢測時施加一段時間的環(huán)境應力后，對外觀的檢查(主要是鏡檢，根據元器件的質量要求， 采用放大 10 倍對元器件外觀進行檢測，也可以根據需要安排紅外線及 X 射線檢查) ，以 及氣密性篩選來完成，當有特殊需要時，可以增加一些 DPA(破壞性物理分析)等特殊測 試；這些篩選項目對電性能失效模式不會產生觸發(fā)效果。所以,一般將封裝失效的篩選放 在前面,電性能失效的篩選放在后面。 電性能失效可以分為連結性失效、功能性失效和電參數(shù)失效。連結性失效指開路、短 路以及電阻值大小的變化， 這類失效在元器件失效中占有較大的比例。 因為在元器件篩選 測試過程中，由于過電應力所引起的大多為連結性失效，同時,連結性失效可以引發(fā)功能 性失效和電參數(shù)失效，但是功能性失效和電參數(shù)失效不會引發(fā)連結性失效。主要原因是， 當連結性失效模式被特定的篩選條件觸發(fā)時，往往出現(xiàn)的現(xiàn)象為元器件封裝涂覆發(fā)生銹 蝕、外殼斷裂、引線熔斷、脫落或者與其他引線短路，主要表現(xiàn)為機械和熱應力損傷,但 是有時并不表現(xiàn)為連結性故障，而是反映為金屬疲勞、鍵合強度不夠等問題，這些本身不 會引發(fā)連結性失效， 但是會引發(fā)功能性失效和電參數(shù)失效， 需要通過功能性和電參數(shù)監(jiān)測 才能發(fā)現(xiàn)。但是，電路的功能性失效和電參數(shù)失效被特定的的篩選條件觸發(fā)時，出現(xiàn)的現(xiàn) 象是某些特定的功能失效、電參數(shù)超差等。造成這些失效的主要原因在于：制造、設計中 的缺陷以及生產工藝控制不嚴， 使生產過程中各種生產要素如空氣潔凈度等級、 超純水的 質量監(jiān)測、 超純氣體和化學試劑達不到規(guī)定的要求； 在運輸轉運過程中由于防靜電措施不 到位也會發(fā)生靜電損傷。這些因素作用下半導體晶體會受到各種表面污染物的玷污,會使 產品不能達到規(guī)定的質量等級要求。 當受到特定的外部條件激發(fā)的情況下， 就會產生功能 性失效和電參數(shù)失效， 但是這些功能性失效和電參數(shù)失效造成的影響往往只能造成元器件 部分的功能失去作用，還不能使芯片的封裝和各部分的連結線出現(xiàn)燒毀、短路、開路等現(xiàn) 象,所以電路的功能性失效和電參數(shù)失效與連結性失效不產生引發(fā)效果。 5.1.3 電子元器件篩選方案 在安排測試篩選先后次序時,有兩種方案： 方案1:將不產生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在前面,將可以與其他失效模式產生 連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在后面。 方案2:將可以與其他失效模式產生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在前面,將不產生 連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在后面。 如果選擇方案1,會發(fā)現(xiàn)將可以與其他失效模式產生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 21 在后面時,出現(xiàn)本身失效模式沒有被觸發(fā)、其他關聯(lián)的相關失效模式被觸發(fā)的情況時,這種 帶有缺陷的元器件不能被準確地定位、 剔除,因為該類失效模式的檢測已經在前面做過了。 而選擇方案2就可以非常有效地避免上述問題的發(fā)生,使篩選過程優(yōu)質、經濟和高效。 因此,決定元器件測試篩選先后次序的原則是: 1失效概率最大的篩選方法首先做。 2 當一種失效模式可以與其他失效模式產生關聯(lián)時,應將此失效模式的篩選放在前面。 3使用不同方法對同一種失效模式進行篩選時,首先考慮失效概率的分布,容易觸發(fā)失 效的篩選方法首先進行。 4考慮經濟性,便宜的先做。 5考慮時間性,時間長的后做。 6測試順序的安排是后面的參數(shù)能夠檢查元器件經前面參數(shù)測試后可能產生的變化。 對有耐電壓、絕緣電阻測試要求的元器件,耐壓在前、絕緣在后,功能參數(shù)最后測試;對有擊 穿電壓和漏電流測試要求的元器件,擊穿電壓在前,漏電流在后,功能參數(shù)最后測試。 5.2 光柵尺的安裝 光柵線位移傳感器的安裝比較靈活，可安裝在機床的不同部位。 一般將主尺安裝在機床的工作臺 （滑板） 上， 隨機床走刀而動， 讀數(shù)頭固定在床身上， 盡可能使讀數(shù)頭安裝在主尺的下方。 其安裝方式的選擇必須注意切屑、 切削液及油液的濺 落方向。 如果由于安裝位置限制必須采用讀數(shù)頭朝上的方式安裝時， 則必須增加輔助密封 裝置。另外，一般情況下，讀數(shù)頭應盡量安裝在相對機床靜止部件上，此時輸出導線不移 動易固定，而尺身則應安裝在相對機床運動的部件上（如滑板） 。 5.2.1 位移傳感器安裝基面 安裝光柵線位移傳感器時， 不能直接將傳感器安裝在粗糙不平的機床身上， 更不能安 裝在打底涂漆的機床身上。 光柵主尺及讀數(shù)頭分別安裝在機床相對運動的兩個部件上。 用 千分表檢查機床工作臺的主尺安裝面與導軌運動的方向平行度。 千分表固定在床身上， 移 動工作臺，要求達到平行度為 0.1mm/1000mm 以內。如果不能達到這個要求，則需設計 加工一件光柵尺基座。基座要求做到：應加一根與光柵尺尺身長度相等的基座（最好基 座長出光柵尺 50mm 左右） 。該基座通過銑、磨工序加工，保證其平面平行度 0.1mm/1000mm 以內。另外，還需加工一件與尺身基座等高的讀數(shù)頭基座。讀數(shù)頭的基座 與尺身的基座總共誤差不得大于0.2mm。安裝時，調整讀數(shù)頭位置，達到讀數(shù)頭與光柵 尺尺身的平行度為 0.1mm 左右，讀數(shù)頭與光柵尺尺身之間的間距為 11.5mm 左右。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 22 5.2.2 位移傳感器主尺安裝 將光柵主尺用 M4 螺釘上在機床安裝的工作臺安裝面上，但不要上緊，把千分表固定 在床身上，移動工作臺（主尺與工作臺同時移動） 。用千分表測量主尺平面與機床導軌運 動方向的平行度，調整主尺 M4 螺釘位置，使主尺平行度滿足 0.1mm/1000mm 以內時， 把 M2 螺釘徹底上緊。在安裝光柵主尺時，應注意如下三點： （1） 在裝主尺時，如安裝超過 1.5M 以上的光柵時，不能象橋梁式只安裝兩端頭， 尚需在整個主尺尺身中有支撐。 （2） 在有基座情況下安裝好后，最好用一個卡子卡住尺身中點（或幾點） 。 （3） 不能安裝卡子時，最好用玻璃膠粘住光柵尺身，使基尺與主尺固定好 6。 5.2.3 位移傳感器讀數(shù)頭的安裝 在安裝讀數(shù)頭時，首先應保證讀數(shù)頭的基面達到安裝要求，然后再安裝讀數(shù)頭，其安 裝方法與主尺相似。最后調整讀數(shù)頭，使讀數(shù)頭與光柵主尺平行度保證在 0.1mm 之內， 其讀數(shù)頭與主尺的間隙控制在 11.5mm 以內。 5.2.4 位移傳感器限位裝置 光柵線位移傳感器全部安裝完以后， 一定要在機床導軌上安裝限位裝置， 以免機床加 工產品移動時讀數(shù)頭沖撞到主尺兩端，從而損壞光柵尺。另外，用戶在選購光柵線位移傳 感器時，應盡量選用超出機床加工尺寸 100mm 左右的光柵尺，以留有余量。 5.2.5 位移傳感器檢查 光柵線位移傳感器安裝完畢后，可接通數(shù)顯表，移動工作臺，觀察數(shù)顯表計數(shù)是否正 常。 在機床上選取一個參考位置， 來回移動工作點至該選取的位置。 數(shù)顯表讀數(shù)應相同 （或 回零） 。另外也可使用千分表（或百分表） ，使千分表與數(shù)顯表同時調至零（或記憶起始數(shù) 據） ，往返多次后回到初始位置，觀察數(shù)顯表與千分表的數(shù)據是否一致。 通過以上工作， 光柵傳感器的安裝就完成了。 但對于一般的機床加工環(huán)境來講， 鐵屑、 切削液及油污較多。因此，光柵傳感器應附帶加裝護罩，護罩的設計是按照光柵傳感器的 外形截面放大留一定的空間尺寸確定， 護罩通常采用橡皮密封， 使其具備一定的防水防油 能力 6。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 23 5.2.6 光柵傳感器安裝注意事項 （1）光柵傳感器與數(shù)顯表插頭座插拔時應關閉電源后進行。 （2）盡可能外加保護罩，并及時清理濺落在尺上的切屑和油液，嚴格防止任何異物 進入光柵傳感器殼體內部。 （3）定期檢查各安裝聯(lián)接螺釘是否松動。 （4）為延長防塵密封條的壽命，可在密封條上均勻涂上一薄層硅油，注意勿濺落在 玻璃光柵刻劃面上。 （5） 為保證光柵傳感器使用的可靠性，可每隔一定時間用乙醇混合液（各 50%） 清洗擦拭光柵尺面及指示光柵面，保持玻璃光柵尺面清潔。 （6） 光柵傳感器嚴禁劇烈震動及摔打，以免破壞光柵尺，如光柵尺斷裂，光柵傳感 器即失效了。 （7） 不要自行拆開光柵傳感器，更不能任意改動主柵尺與副柵尺的相對間距，否則 一方面可能破壞光柵傳感器的精度； 另一方面還可能造成主柵尺與副柵尺的相對摩擦， 損 壞鉻層也就損壞了柵線，以而造成光柵尺報廢。 （8） 應注意防止油污及水污染光柵尺面，以免破壞光柵尺線條紋分布，引起測量誤 差。 （9） 光柵傳感器應盡量避免在有嚴重腐蝕作用的環(huán)境中工作， 以免腐蝕光柵鉻層及 光柵尺表面，破壞光柵尺質量。周知，在 PLC 控制過程當中，CPU 對進程中的 PID 運算 總是顯得很難處理，這是由于 PID 運算會帶來很大的運算量，使得在運算過程中，可能 會有很多的控制量處于不確定狀態(tài)。這對于確定性控制是致命的威脅。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 24 第 6 章 結論 在指導老師的大力支持和辛苦教導下， 絕對式光柵尺的設計得以順利結束。 本設計用 于數(shù)控機床的位移測量。 從開始的莫爾條紋碼原理， 到后來的軟件指導， 都讓我受益匪淺， 本設計由于目的在于位移測量， 要求細致操作， 任何不當操作和用力使用都會對傳感器造 成嚴重不可修復的傷害。需要在使用中重點注意。 本設計總結性的介紹了以下內容： 1對光柵基本原理的闡述，測量原理的介紹等等基本信息。再熟悉光柵原理的前提 下，要求實現(xiàn)高精度的位移測量，我們采用了 5 細分電路的設計思想，并且因為光柵原理 我們使用 4 種不同相位的信號，產生辨向電路，判別位移正負向。由于測量位移的數(shù)量級 極小，我們必須使用放大電路，同時要消除干擾。最后獲取 A,B，Z 信號，并對周期進行 計數(shù)，換算為位移大小，實現(xiàn)測距的電路思路設計； 2在獲取了電路設計的同時，我們還要將思想實際化，即生產實物。而在倆者間， 我們需要設計電子版圖。這一點深受導師的啟發(fā)，軟件的設計，調試，思路，都得到導師 的大力幫助，電子電路圖設計是很細致的過程，在這方面很下了一番功夫，軟件的幫助下 自動可以生成電子版圖，由于自動的布線，不同的位置都需要優(yōu)化和調整，在這一環(huán)節(jié)， 設計上來講，要求對軟件和電路非常熟悉； 3 在電子版圖和電子電路完成后， 本設計提出安裝工藝上的流程和安裝的注意事項， 制作工藝是設計上很講究技術的一部分； 4介紹了安裝調試，及測量中的使用方法； 5最后對整個設計思路，方法進行了總結。 光柵傳感器的設計作為數(shù)控上的研究課題， 在未來不斷精確地要求下會不斷的往更加 精細的方向發(fā)展，隨著技術的進不，設計方法和思路也將越來越先進。隨著全球的極小化 變化，工藝上要求更加細微，位移的測量始終是最受歡迎的課題，設計越精細，越精準， 越受到未來的青睞。 光柵傳感器的測距在某種程度上做為檢測手段， 是未來不可少的一部 分，掌握這種設計技術越先進，在未來將越有競爭力。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 25 致謝 本文研究工作是在我的導師王援朝教授的精心指導和悉心關懷下完成的， 從開題伊始 到論文結束， 我所取得的每一個進步、 編寫的每一段程序都無不傾注著導師辛勤的汗水和 心血。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的各科知識、無私的奉獻精神使我深受啟迪，從尊敬的 導師身上，我不僅學到了扎實、寬廣的專業(yè)知識，也學到了做人的道理。在今后的學習工 作中，我將銘記恩師對我的