精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：精密工作臺的光柵定位測量系統(tǒng)設計目 錄第一章國內(nèi)外現(xiàn)狀概述.3第二章總體方案設計.7第三章測量方法設計.10第四章控制方法設計.11第五章總結.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，加工精度和可靠性方面都有了巨大的進步。作為數(shù)控機床核心技術之一的光柵測量技術對保障現(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)對機床設計師和機床用戶有著重要的意義。 全閉環(huán)控制逐漸成為標準，由精密絲杠和編碼器構成的半閉環(huán)控制系統(tǒng)對于機床熱變形導致的加工誤差

2、無法進行補償。在過去的十余年中，采用數(shù)學建模預測變形或通過實時測量溫度變化來計算變形等嘗試在技術上和經(jīng)濟性上都未能取得令人滿意的結果。 采用全閉環(huán)控制結構的機床，機床傳動部件的熱變形處于位置控制環(huán)之內(nèi)，誤差自動得到補償。與半閉環(huán)系統(tǒng)不同，全閉環(huán)系統(tǒng)的補償效果幾乎不隨機床工況，磨損狀況及加工程序的不同而發(fā)生變化，機床可以長期保持初始加工精度。這對于機床生產(chǎn)廠家和用戶來說，都意味著巨大的經(jīng)濟效益。 絕對式光柵正成為趨勢，所謂絕對式光柵是相對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)來獲得相對運動的距離數(shù)據(jù)。為了獲得絕對位置，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

3、同寬度，不同間距的柵線將絕對位置數(shù)據(jù)以編碼形式直接制作到光柵上，光柵開機后立刻可以提供絕對位置信息，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。當今世界，提高運營效率已成為整個制造行業(yè)面臨的重大課題，因此，測控技術也隨之掀起了不斷革新的浪潮。在這種注重經(jīng)營和技術創(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)品必須實現(xiàn)高速、高精度和系統(tǒng)化，而且必須與IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展相對應，同時應進一步加強質量管理測量技術是現(xiàn)代工業(yè)中的一個重要組成部分，它是進行生產(chǎn)活動的依據(jù)，它支撐著社會的技術進步，為眾多領域的科學探索活動提供試驗和觀測手段，為

4、人類有序的生產(chǎn)活動提供必需的技術保障。測量技術已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)設備、安全裝置、社會技術保障體系、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。作為精密機械與精密儀器的關鍵技術之一的微位移技術，近年來隨著微電子術、宇航、生物工程等學科的發(fā)展而迅速地發(fā)展起來。而定位與測量技術的水平幾乎左右著位移技術的發(fā)展，因此直接影響到微電子技術等高精度工業(yè)的發(fā)展。 目前，光柵位移測量技術已經(jīng)相當成熟，但隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的發(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

5、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60mmin至480mmin。測量長度從1m、3m至30m和100m。1999年10月在中國召開的“面向21世紀計量測試理論與儀器”研討會認為:納米級測量已經(jīng)成為當今測量領域的熱點，在新的世紀要繼續(xù)解決好納米尺度的產(chǎn)生、標定及傳遞的理論和技術，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)設計也就這樣應運而生，該研究能很好的滿足超精密加工和超精密檢測的

6、要求，對現(xiàn)代工業(yè)技術的發(fā)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、用方面取得了許多成果。但是，我們與當今世界上主要的光柵測量裝置生產(chǎn)廠家相比（德國的OPTION、Heidenhain公司、日本的三豐、雙葉、美國的B&L公司等）有一定的差距，主要表現(xiàn)在：制造精度比較低、批量程度差、品種比較單一1。第二章總體方案設計 2.1方案的構思本次課程設計為精密工作臺光柵定位測量與控制系統(tǒng)的設計，以計量光柵為基礎，通過對莫爾條紋的工作原理、光電轉換技術和電子細分技術進行分析，設計精密工作臺的光柵定位測量系統(tǒng)。實現(xiàn)精密工作臺機構的方案比較多，用途也很廣泛

7、，根據(jù)不同的要求，采取不同的方案，應以滿足使用要求而又經(jīng)濟合理為準則。但作為精度補償用的精密工作臺，因它的精度要求比較高，一般都在亞微米級以上，所以設計時滿足使用要求外，還應具有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性2。作為理想精密微動工作臺，應滿足下列要求：1. 精密工作臺的支承或導軌副應無機械摩擦和無間隙，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，同時還應滿足工作進程;2. 精密工作臺應具有較高的幾何精度，即顛擺、滾擺和搖擺誤差要小，還應具有較高的精度穩(wěn)定性；3. 精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，即最好采用直接驅動的方式，無傳動環(huán)節(jié)；4.精密工作臺

8、的定位系統(tǒng)要便于控制，而且響應速度快。2.2總體方案框圖2.3說明計量光柵具有以下優(yōu)點：(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)速率高。莫爾條紋的取數(shù)率一般取決于光電接收元件和所使用電路的時間常數(shù)，可以從每秒零次至數(shù)十萬次，既可用于靜止的，也可以用于運動的，非常適合動態(tài)測量定位系統(tǒng)。(3)分辨率高。常用光柵柵距為10-50um，細分后很容易做到1-0.1um的分辨率，最高分辨率可達到0.025um。(4)讀數(shù)易實現(xiàn)數(shù)字化，自動化。莫爾條紋

9、信號接近正弦，比較適合于電路處理，故其測量位移的莫爾條紋可用光電轉化以數(shù)字形式顯示或輸入計算機，實現(xiàn)自動化，且穩(wěn)定可靠3。第三章測量方法設計3.1測量方案框圖光電檢測器將接收到的光信號轉換為電流信號，由光柵傳感器產(chǎn)生兩組信號分別結果差動放大與整形器整形后，輸出脈沖信號，然后結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。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，可將光信號轉換為電信號，這樣就可實現(xiàn)位移信號到電信號的轉換。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

10、件獲得的4路光電信號分別送到2只差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的2路信號其相位為pi/2，結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響移動時，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，就可以對信號進行辨向，在對信號進行辨向后，辨向后的信號經(jīng)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3.2測量原理光柵測量位移的實質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 ,設計采用了電子細分方法。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

11、之上下移動。這樣就把對光柵柵距的測量轉換為對莫爾條紋個數(shù)的測量 ,同時莫爾條紋又具有光學放大作用 ,其放大倍數(shù)為K=K/d1/ （1）式中: W 為莫爾條紋寬度; d 為光柵柵距(節(jié)距) ;為兩塊光柵的夾角 ,rad.如下圖，計量光柵分為振幅光柵和相位光柵4。3.3 測量精度分析扭轉角的測量是根據(jù)奠爾條紋寬度變化或者奠爾條紋在測量坐標系中的傾角變化求解，因此測量扭轉角的精度，決定于對莫爾條紋寬度變化的最小分辨力或者是對莫爾條紋傾角變化的最小分辨力。以條紋寬度為分析對象對測量角分辨力進行分析。兩光柵的間距一定時，莫爾條紋的寬度由兩光柵夾角的大小決定5。表1給出兩光柵的柵線間距d=42m，兩光柵夾

12、角在0.5°5°變化，并以0.5°為增長步長時對應的條紋寬度。圖2給出兩光柵的柵線間距d=42m，兩光柵夾角在0.5°5°連續(xù)變化時引起的莫爾條紋寬度的變化。從表l和圖2可以看出，隨著兩光柵夾角的增大，奠爾條紋的寬度逐漸變小。兩光柵的柵線夾角在0.5°到1.5°變化時，莫爾條紋的寬度由粗到細，并且隨兩光柵夾角的變化梯度較大，兩光柵夾角2°到5°變化時，莫爾條紋的寬度變化隨兩光柵夾角的變化趨于平緩。圖2中并未畫出兩光柵夾角在0°到0.5°變化時引起的奠爾條紋寬度變化在這個夾角范圍內(nèi)，奠爾

13、條紋的寬度從無窮大變化到48129m，變化非常劇烈。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°到0.5°變化時，雖然在這個夾角范圍內(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0.5°1.5°這個范圍時，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=42m，橫坐標表示兩光柵夾角處于0.5°1.5°變化，并且2000等分，即以18的步長遞增，縱坐標對應每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0.5°時，兩光柵夾角

14、有一個步長，即1.8的變化量時，奠爾條紋寬度遞減量大于4.5m，當兩光柵夾角接近1.5°時，兩光柵夾角有一個步長的變化量時，奠爾條紋寬度遞減量接近0.5m。因為本系統(tǒng)的像元尺寸為8.42m×8.38m，莫爾條紋的寬度變化量在0.54.5m變化，即莫爾條紋的寬度變化量小于一個像元尺寸時，CCD無法分辨，當兩光柵夾角大于1.5°時，莫爾條紋的寬度變化量更小，CCD更是無法分辨，不能滿足高精度測量要求。本文對CCD采集的莫爾條紋圖像進行亞像素細分以提高測量精度。第四章控制方法設計4.1.儀器控制方案控制方案原理，本次課程設計采用51系列單片機作為控制部分的核心元件，鍵盤

15、輸入后，單片機通過驅動器對步進電機進行驅動，步進電機的運轉帶動整個工作臺，光柵測量系統(tǒng)對其進行測量，測量所得的信號經(jīng)處理、計數(shù)顯示并傳遞給單片機，從而實現(xiàn)了整個控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制6。4.2測控電路的框圖及要求單片機放大器直線電機光柵位移傳感器脈沖處理工作臺在一個莫爾條紋寬度內(nèi) 按照一定間隔放置4個電器件就能實現(xiàn)電子細分與判向功能。本系統(tǒng)采用的光柵尺柵線為50對/ mm ,其光柵柵距為0.02mm ,若采用四細分后便可得到分辨率為5m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。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波 我們采用了由低漂,移運放構

16、成的差分放大器。由4個光電器件獲得的4路光電信號分別送到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/2,為得到判向和計數(shù)脈沖,需對這兩路信號進行整形,首先把它們整形為占空比為11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)中進行處理。測量方面5倍頻細分和4細分辨向電路在采用莫爾條紋測量位移的時候，若單純的對一個額周期進行技術，則一起的分辨率就是一個周期，所測得的分辨率較難打到較高要求，因此，需要根據(jù)周期性測量信號的剝削，振幅或者相位的變化規(guī)律，在一個周期內(nèi)進行插值，也就是細分，從而獲得更高的精度，電子細分就

17、是把柵距進行N等分，是時間域上通過相對信息的測量打到細分的目的。通過光電轉換，將莫爾條紋轉成電信號，轉換后的電信號在倍頻細分電路中需要結合電阻鏈細分，電阻鏈細分就是將正弦信號施加在電阻鏈的兩端，在電阻鏈的節(jié)點上可得到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，就能在正余弦信號的一個周期內(nèi)得到若干計數(shù)脈沖，實現(xiàn)細分圖4是一個既能防止誤脈沖又能提高分辨率的四倍頻細分電路。在這里，采用了有記憶功能的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，這樣，在時鐘脈沖的間隔中，兩個Q端（如對應B道的74LS175的第2、7引腳）保持前兩個時鐘期的輸入狀態(tài)，若兩者相同，則表示時鐘間

18、隔中無變化；否則，可以根據(jù)兩者關系判斷出它的變化方向，從而產(chǎn)生正向或反向輸出脈沖。當某道由于振動在高、低間往復變化時，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)和時就可消除它們的影響（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)，得到了四個計數(shù)脈沖。第五章總結本課程設計的總結和展望在對這次課程設計的題目有了一定的了解后，查閱了相關的文獻和課本后，根據(jù)其運動范圍100mm和精度0.01um，初步確定了精密工作臺的光柵定位測量和控制系統(tǒng)的總體方案。確定了以單片機為控制裝置，直流電機為驅動裝置，測量系統(tǒng)選用光柵傳感器測量系統(tǒng)。高新技術的飛速發(fā)展光柵傳