精密工作臺的光柵定位測量與控制系統(tǒng)設(shè)計

精密工作臺的光柵定位測量與控制系統(tǒng)設(shè)計精密工作臺的光柵定位測量與控制系統(tǒng)設(shè)計 姓名 學(xué)號 班級 09 測控 1 班 指導(dǎo)老師 陳本永 王麗敏 2 目錄目錄 1 國內(nèi)外現(xiàn)狀概述國內(nèi)外現(xiàn)狀概述 3 1 1概述 3 1 2光柵檢測現(xiàn)狀 4 2 總體方案設(shè)計總體方案設(shè)計 5 2 1方案構(gòu)思 5 2 2說明 6 3 測量系統(tǒng)設(shè)計測量系統(tǒng)設(shè)計 6 3 1測量方案 6 3 2光柵尺位移傳感器 7 3 3光電轉(zhuǎn)換 9 3 4信號細(xì)分電路 12 4 控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計 15 4 1控制方案 15 4 2靜態(tài)參數(shù)設(shè)計 16 4 3動態(tài)特性分析 16 4 4硬件電路的實現(xiàn) 18 5 測控電路測控電路 21 5 1測控總體方案 21 5 2測控電路 21 6 展望與總結(jié)展望與總結(jié) 23 7 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 24 3 1 國內(nèi)外現(xiàn)狀概述國內(nèi)外現(xiàn)狀概述 1 1概述概述 作為精密機(jī)械與精密儀器的關(guān)鍵技術(shù)之一一微位移技術(shù) 近年來隨著微電子技術(shù) 宇航 生物 工程等學(xué)科的發(fā)展而迅速的發(fā)展起來 例如用金剛石車刀直接車削大型天文望遠(yuǎn)鏡的拋物面反射鏡 時 要求加工出幾何精度高于 l l0 光波波長的表面 即幾何形狀誤差小于 0 5u m 計算機(jī)外圍設(shè)備 中大容量磁鼓和磁盤的制造 為保證磁頭與磁盤在工作過程中維持 1um 內(nèi)的浮動氣隙 就必須嚴(yán) 格控制磁盤或磁鼓在高速回轉(zhuǎn)下的跳動 特別是到 20 世紀(jì) 70 年代后期 微電子技術(shù)向大規(guī)模集成 電路和超大規(guī)模集成電路方向發(fā)展 隨著集成度的提高 線條越來越微細(xì)化 256K 動態(tài) RAM 線 寬已縮小到 1 25um 左右 目前己小于 0 1um 對與之相應(yīng)的工藝設(shè)備 如圖形發(fā)生器 分步重復(fù)照 相機(jī) 光刻機(jī) 電子束和 X 射線曝光機(jī)及其檢測設(shè)備等 提出了更高的要求 要求這些設(shè)備的定位 精度為線寬的 1 3 1 5 即亞微米甚至納米級的精度 隨著數(shù)控技術(shù)在機(jī)床制造領(lǐng)域的普及 現(xiàn)代機(jī)床在加工速度 加工精度和可靠性方面都有了巨 大的進(jìn)步 作為數(shù)控機(jī)床核心技術(shù)之一的光柵測量技術(shù)對保障現(xiàn)代機(jī)床的各項性能指標(biāo)起著決定性 的作用 清楚了解現(xiàn)代光柵測量技術(shù)的發(fā)展趨勢 正確選擇適合自身需求的光柵測量系統(tǒng)對機(jī)床設(shè) 計師和機(jī)床用戶有著重要的意義 目前 光柵位移測量技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟 但隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展 對光柵位移測量的要求 也會隨之提高 為了滿足更高的要求 光柵位移測量技術(shù)不但要達(dá)到更高的分辨率 還要適應(yīng)更復(fù) 雜的工作環(huán)境 在長度量檢測系統(tǒng)中 光柵測量系統(tǒng)占有明顯優(yōu)勢 有著廣泛的市場前景 柵式測 量系統(tǒng)是將一個柵距周期內(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(biāo)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 1m 3m 至 30m 和 100m 1999 年 10 月在中國召開的 面向 21 世紀(jì)計量測試?yán)碚撆c儀器 研討會認(rèn)為 納米級測量已經(jīng)成為當(dāng)今測量 領(lǐng)域的熱點(diǎn) 在新的世紀(jì)要繼續(xù)解決好納米尺度的產(chǎn)生 標(biāo)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 精密工作臺光柵定位測量與控制系統(tǒng)設(shè)計也就這樣應(yīng)運(yùn)而生 該研究能很好的 滿足超精密加工和超精密檢測的要求 對現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義 4 1 2光柵檢測現(xiàn)狀光柵檢測現(xiàn)狀 光柵數(shù)字測量系統(tǒng)是數(shù)顯機(jī)床 數(shù)控機(jī)床和測量機(jī)的重要組成部分 是由光柵傳感器和光柵 倍頻器 插補(bǔ)和數(shù)字化電子裝置 組成 光柵傳感器是作為位移測量元件 光柵倍頻器是對光柵 信號進(jìn)行電子細(xì)分和數(shù)字化處理 光柵編碼器是利用刻劃在各種各樣載體 如玻璃 玻璃陶瓷 固態(tài)鋼或鋼帶 上的光柵作為 測量標(biāo)準(zhǔn) 并通過光電掃描進(jìn)行分度 編碼器的精度和溫度特性可以通過刻劃和選擇載體來優(yōu)化 光柵編碼器又分為直線編碼器 光柵尺 和圓編碼器 而圓編碼器又分為旋轉(zhuǎn)編碼器 作為旋轉(zhuǎn) 軸的反饋部件 和角度編碼器 作為轉(zhuǎn)臺的角度測量部件 對于編碼器的結(jié)構(gòu)又分為開啟式的和 封閉式的 它是以測量各個坐標(biāo)的位移來實現(xiàn)對設(shè)備的數(shù)顯和數(shù)控 因此測量系統(tǒng)的精度就決定了 設(shè)備的精度 目前光柵數(shù)字測量系統(tǒng)的精度已有微米級 亞微米級和納米級三個檔次 光柵測量系統(tǒng)的長處是性能穩(wěn)定 可靠性好 精度高 測量范圍大 使用方便 價格適中 和 其他測量系統(tǒng)相比有著明顯的優(yōu)勢 在當(dāng)今國際市場上光柵測量系統(tǒng)要占到 80 以上 目前光柵測量系統(tǒng)的測量步距已達(dá) 1nm 準(zhǔn)確度達(dá)到 0 5um 測量長度己達(dá) 30m 最大移動 速度已達(dá) 480m min 最大加速度已達(dá) 250m s2 最大傳輸距離達(dá) 150m 目前全世界能制造光柵測量系統(tǒng)的國家除我國外還有德國 日本 美國 英國 西班牙 奧地 利 意大利 俄國 韓國和印度等 估計年產(chǎn)量超過 70 萬坐標(biāo) 其中以德國 HEIDENHAIN 海德 漢 公司為最著名 半個世紀(jì)以來 其技術(shù) 品種 產(chǎn)量都絕對領(lǐng)先于其他國家 1999 年 HEIDENHAIN 公司的雇員為 4000 人 其中研究開發(fā)人員約 300 人 銷售額為 5 5 億歐元 其各 個品種的增長率分別為 開啟式光柵尺 30 封閉式光柵尺 3 旋轉(zhuǎn)編碼器 5 角度編碼器 4 長度規(guī) 3 數(shù)顯表 DRO 18 數(shù)控裝置 TNC 4 我國在光柵方面的研究起步較晚 始于 1960 年前后 并在光柵和圓光柵的制造 應(yīng)用方面取 得了許多成果 但是 我們與當(dāng)今世界上主要的光柵測量裝置生產(chǎn)廠家相比 如德國的 OPTION HEIDENHAIN 公司 日本的三豐 雙葉 美國的 BEQU 標(biāo)號賦值偽指令 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 為 0 轉(zhuǎn)移 中斷程序 WAIT JB SP1 WAIT SP 為 1 轉(zhuǎn)移 LCALL DELY10MS 調(diào)用顯示子程序 JB SP1 WAIT INC Count Count 加 1 MOV A Count CJNE A 100 NEXT 累加器與立即數(shù)不等轉(zhuǎn)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 測控電路測控電路 5 1測控總體方案測控總體方案 PC 微機(jī)給定一個初始位移信號 初始信號經(jīng)過單片機(jī)轉(zhuǎn)化成電信號 電信號中可能有其他噪 聲 垃圾信號的干擾 經(jīng)過濾波電路后去除不必要的信號 由于信號比較小 為了方便直流電機(jī)的 讀取 在直流電機(jī)前添加放大電路 放大后的信號驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動 從而帶動工作臺的移動 工 作臺的移動造成了莫爾條紋的變化 光柵傳感器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號 由于精度的要求 需要將此脈沖信號進(jìn)行細(xì)分 達(dá)到更高 的精度 電信號通過一個電阻鏈 5 倍頻細(xì)分電路 輸出兩路相位差為 90 度的方波信號 剛好滿足 4 細(xì)分電路的輸入要求 電信號經(jīng)單穩(wěn) 4 細(xì)分電路進(jìn)一步細(xì)分 細(xì)分后的信號由 1 個 16 位的計數(shù) 器接收 計數(shù)器上顯示此時的位移量 信號反饋回單片機(jī) 單片機(jī)將此時的位移量與初始位移進(jìn)行 比較 將比較后的差值再次送入直流電機(jī) 進(jìn)行更進(jìn)一步的校正 測控系統(tǒng)總體方案框圖見圖 5 1 單片機(jī)放大電路伺服電機(jī) 光電轉(zhuǎn)換光柵傳感器辨向細(xì)分電路計數(shù)器 PC 機(jī)工作臺 圖 5 1 測控系統(tǒng)總體方案框圖 5 2測控電路測控電路 測控電路如圖 5 2 所示 依次可拆分為 光電轉(zhuǎn)換電路 電阻鏈五倍頻細(xì)分電路 單穩(wěn)四細(xì)分 辨向電路 單片機(jī)脈沖計數(shù)與顯示電路 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 光電轉(zhuǎn)換電路 采用兩個兩光電推挽式接收電路及一個 180 度移相電路 電阻鏈五倍頻細(xì)分電路 實現(xiàn)對正余弦模擬信號的細(xì)分 輸出為相位差為 90 度的方波信號 由電阻移相網(wǎng)絡(luò) 比較器 邏輯電路組成 可與 4 細(xì)分電路級聯(lián) 單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路 利用單穩(wěn)提取兩路方波信號的邊沿實現(xiàn)四細(xì)分 輸出可直接送入計數(shù)器 22 單片機(jī)脈沖計數(shù)與顯示電路 由兩個共陰數(shù)碼管 51 單片機(jī) 復(fù)位電路 晶振電路組成 23 圖 5 2 測控電路 24 6 展望與總結(jié)展望與總結(jié) 作為大學(xué)即將結(jié)束時的最后一次課程設(shè)計 這次課程設(shè)計有著很重要的意義 它不僅為即將到 來的畢業(yè)設(shè)計奠定了基礎(chǔ) 更是對大學(xué)所學(xué)知識的一次總結(jié) 這次課程設(shè)計涵蓋了數(shù)字電路 模擬 電路 測控電路 傳感器 控制工程基礎(chǔ) 單片機(jī) 精密儀器設(shè)計等學(xué)科 其中電路圖的繪制還涉 及到了 Protel 的使用 首先 這次課程設(shè)計是對自己所學(xué)知識的一次融會貫通 通過對精密工作臺光柵定位測量與控 制系統(tǒng)的設(shè)計 實現(xiàn)了各科知識的串聯(lián)與交匯 電路方面涉及到了光電轉(zhuǎn)換電路 差分放大電路 移相電路 單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路 電阻鏈 5 倍頻細(xì)分電路等 傳感器方面涉及到了光柵尺位移傳感 器 控制工程方面涉及到了開環(huán) 閉環(huán)伺服系統(tǒng) 單片機(jī)方面涉及到了單片機(jī)脈沖計數(shù)器 步進(jìn)電 機(jī)的驅(qū)動等 總之 通過這次課程設(shè)計 對于掌握機(jī) 光 電 算技術(shù)結(jié)合的儀器總體設(shè)計有關(guān)基 礎(chǔ)理論知識有很大的幫助 其次 對于這次課程設(shè)計本身所研究的課題有了比較基礎(chǔ)的了解 光柵定位測量與控制系統(tǒng)的 大致思路是 單片機(jī)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動 步進(jìn)電機(jī)帶動工作臺移動 工作臺的移動造成了莫爾條紋 的變化 光柵尺位移傳感器測量實時位移 通過光電探測器實現(xiàn)了位移信號向電信號的轉(zhuǎn)換 電信 號經(jīng)過細(xì)分電路達(dá)到系統(tǒng)所要求的精度 細(xì)分后的信號由計數(shù)器計數(shù)并顯示 信號反饋回單片機(jī) 單片機(jī)對實時信號與給定信號比較并給出更精確的控制信號 其次 在這次課程設(shè)計中 參考了一些中外文資料 這對于擴(kuò)展自己的思維有很大的幫助 雖 然真正引用的只占了其中的一部分 但不可否認(rèn) 還是學(xué)到了一些知識 比如單光柵測量位移 利 用壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對精密工作工作臺的校正等 最后 這次課程設(shè)計是畢業(yè)設(shè)計的前奏 本次課程設(shè)計為畢業(yè)設(shè)計的開展做了很好的引導(dǎo)和鋪 墊 一些典型的問題處理起來將會更加得心應(yīng)手 比如 如何布置論文的行文格式 如何針對性地 尋找資料 如何從各種資料中篩選有用的信息等 如果說這次課程設(shè)計是對自己大學(xué)學(xué)習(xí)的一次小 總結(jié) 那么畢業(yè)設(shè)計就是對大學(xué)各科知識的一次更深入的關(guān)聯(lián) 25 7 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 李慶祥 王東生 李玉和 現(xiàn)代精密儀器設(shè)計 M 清華大學(xué)出版社 2004 2 張國雄 測控電路 M 機(jī)械工業(yè)出版社 2011 3 童詩白 華成英 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) M 高等教育出版社 2006 4 閻石 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) M 高等教育出版社 2004 5 史敬灼 步進(jìn)電動機(jī)伺服控制技術(shù) M 科學(xué)出版社 2006 23 26 6 蔣小軍 黃惠杰 王向朝 基于光柵傳感器的位移測量儀的研制 J 電子測量技術(shù) 2008 7 147 152 7 蘇大圖 光學(xué)測試技術(shù) M 北京理工大學(xué)出版社 1996 8 楊康 精密工作臺光柵定位測量與控制系統(tǒng)的設(shè)計 J 浙江理工大學(xué) 2006 9 徐良元 劉勇 朱靈 霍玉峰 吳路生 某儀表車床的光柵測量系統(tǒng)的設(shè)計研究 J 農(nóng)業(yè)工 程與信息技術(shù) 2008 489 493 10 顏嘉男 伺服電機(jī)應(yīng)用技術(shù) M 科學(xué)出版社 2010 37 71 11 呂海寶 基于虛擬儀器技術(shù)的光柵位移測量系統(tǒng) J 儀表技術(shù)與傳感器 2004 12 23 25 12 李巖 精密光柵納米級承載工作臺設(shè)計與研究 D 長春理工大學(xué) 2007 13 張英杰 海淘 一種辨別莫爾條紋形狀的實時性辨向電路 J 現(xiàn)代電子技術(shù) 2004 19 5 29 31 14 李暉 劉庭欣 光柵莫爾條紋的辨向和細(xì)分電路研究 J 遼寧大學(xué)學(xué)報 2003 30 2 127 125 15 田德文 莫爾條紋在測量中的應(yīng)用 J 遙測遙控 1986 3 37 40 16 孫亮 精密工作臺光柵定位測量與控制系統(tǒng)設(shè)計 J 測試技術(shù) 2007 1 47 48 17 蔚婷 喬學(xué)光 賈振安 等 單光纖實現(xiàn)位移溫度同時同步測量 J 傳感技術(shù)學(xué)報 2005 2 358 362 18 李豐麗 鐘金剛 位移的莫爾條紋測量技術(shù) J 實驗技術(shù)與管理 2002 30 33 19 袁小濱 李懷瓊 光柵莫爾條紋數(shù)字細(xì)分技術(shù)及其誤差分析 J 西安公路交通大學(xué)學(xué)報 2001 21 1 113 115 20 李欣 黃世濤 光柵莫爾條紋細(xì)分技術(shù)的研究 J 儀器儀表與檢測報 2004 18 12 83 85 21 彭志龍 岳水堅 一種硬件細(xì)分方法的研究與應(yīng)用 J 中科院光電技術(shù)研究所 2003 29 4 23 32 22 李懷瓊 陳錢 莊小棟 新型光柵信號數(shù)字細(xì)分技術(shù)及其誤差分析 J 計量學(xué)報 2001 22 4 77 85 26 23 余文新 胡小唐 鄒自強(qiáng) 一種高分辨率和高頻響的光柵納米測量細(xì)分方法 J 天津大學(xué)學(xué) 報 2002 35 1 1 4 24 劉文文 費(fèi)業(yè)泰 高精度的光柵信號細(xì)分算法 J 應(yīng)用科學(xué)學(xué)報 1999 8 3 13 25 徐航 光柵信號的相位細(xì)分與數(shù)字編碼技術(shù) J 裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報 1995 9 1 2 1 26 梁海鋒 嚴(yán)一心 基于光柵傳感器位移測量的軟 硬件設(shè)計 J 現(xiàn)代電子技術(shù) 2003 23 88 89 27 束小梅 左勇 徐曉波 長度光柵測量系統(tǒng)的誤差修正技術(shù) J 計量測試與檢定 2010 20 5 10 13 28 張善鐘 測量光柵技術(shù) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 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