絕對式光柵尺畢業(yè)論文.pdf

畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告（論文） 報(bào)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(xué) 號(hào) ：20064021420 指導(dǎo)教師姓名：王援朝 完 成 時(shí) 間 ：2008 年 6 月 20 日 北華航天工業(yè)學(xué)院教務(wù)處 北華航天工業(yè)學(xué)院北華航天工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)( (論文論文) )任務(wù)書任務(wù)書( (理工類理工類) ) 學(xué)生姓名： 賈曉帥專業(yè)：電子信息工程 班級：B06214學(xué)號(hào)：200621420 指導(dǎo)教師： 王援朝職稱： 工程師完成時(shí)間： 10/6/2010 畢業(yè)設(shè)計(jì)(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(xiàng)目括號(hào) 內(nèi)打 “” 橫向課題（）應(yīng)用研究（） 教師自擬課題（）應(yīng)用設(shè)計(jì)（） 學(xué)生自擬課題（）其他（） 總體設(shè)計(jì)要求及技術(shù)要點(diǎn)： 該傳感器與光柵數(shù)顯表,或與電子細(xì)分卡、計(jì)算機(jī)、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(jī)床、鏜銑床、 加工中心、專用機(jī)床、測量機(jī)、工作臺(tái)、激光加工、半導(dǎo)體加工等數(shù)控設(shè)備。 主要特色：基準(zhǔn)器刻有兩個(gè)定位碼道，精碼道用于柵尺判向和細(xì)分，粗碼道它以二 進(jìn)制偽隨機(jī)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(nèi)的任意位置實(shí) 現(xiàn)單值函數(shù)的測量，實(shí)時(shí)確定光柵尺移動(dòng)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(shù)條件： 主要技術(shù)指標(biāo)： 量程 5011000mm工作速度 30120m/min準(zhǔn)確度515m分辨率 0.5m 工作溫度-10+50C耐振動(dòng) 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(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì) 3. 絕對式直線編碼器 JGX-7 光柵傳感器電路設(shè)計(jì) 4. 絕對式直線編碼器 JGX-7 光柵傳感器電路板設(shè)計(jì)與制作 5. 絕對式直線編碼器 JGX-7 光柵傳感器產(chǎn)品電路及總體安裝調(diào)試 成果： 1.畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2.設(shè)計(jì)產(chǎn)品實(shí)物 3.全套分析、設(shè)計(jì)技術(shù)資料 時(shí)間進(jìn)度安排： 第 56 周參觀、布置任務(wù) 第 78 周收集技術(shù)資料，完成技術(shù)可行性論證并撰寫開題報(bào)告 第 910 周系統(tǒng)分析與論證 第 1112 周結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì) 第 1314 周電路板設(shè)計(jì)與制作、總體安裝與調(diào)試 第 1516 周撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 17 周畢業(yè)設(shè)計(jì)論文答辯及成績評定 指導(dǎo)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(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性及知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 絕對式光柵尺 是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下， 獨(dú)立進(jìn)行研究工作取得的成果。 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容 外，本設(shè)計(jì)（論文）不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本設(shè)計(jì) （論文）的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。因本畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）引起的法律結(jié)果完全由本人承擔(dān)。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成果歸北華航天工業(yè)學(xué)院所有。本人遵循北華航天工業(yè)學(xué)院有關(guān) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的相關(guān)規(guī)定，提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本。本人同意北 華航天工業(yè)學(xué)院有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服 務(wù)； 可以采用影印、 縮印、 數(shù)字化或其它復(fù)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(shè)計(jì)（論文）的部分或全部內(nèi)容。 特此聲明 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者：指導(dǎo)教師： 年月日年月日 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 摘要 絕對式光柵尺， 是利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置， 經(jīng)常應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的 閉環(huán)伺服系統(tǒng)中。 本文就光柵的數(shù)據(jù)采集， 信號(hào)的細(xì)分辨相作詳細(xì)的研討和論證。 本設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)就 是能夠?qū)鈻懦邔?shí)時(shí)定位得到絕對位置， 并通過辨向細(xì)分電路對信號(hào)處理使其測量輸出的 信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：辨向細(xì)分電路 數(shù)據(jù)采集 光柵尺 北華航天工業(yè)學(xué)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(xué)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(shù). 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(shè)計(jì). 7 3.1 光柵尺辨相技術(shù)7 3.1.1 辨相的原理 7 3.1.2 辨相電路 9 3.2 細(xì)分原理10 3.2.1 四細(xì)分 10 3.2.2 五細(xì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)15 4.4 主要技術(shù)性能指標(biāo)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(xué)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(xiàng) 23 第 6 章 結(jié)論. 24 致謝. 25 參考文獻(xiàn). 26 附錄. 27 附錄 1.27 附錄 2.32 北華航天工業(yè)學(xué)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(hào)、物理?xiàng)l件（如光、 熱、濕度）或化學(xué)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(biāo)準(zhǔn) 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(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置， 通常由敏感元件和轉(zhuǎn)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(hào) 或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、 記錄和控制等要求。 它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)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(xué)原理工作的測量反饋裝置。光 柵尺位移傳感器經(jīng)常應(yīng)用于數(shù)控機(jī)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(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。 例如，在數(shù)控機(jī)床中常用于對刀具和工件的坐標(biāo)進(jìn)行檢測，來觀察和跟蹤走刀誤差，以起 到一個(gè)補(bǔ)償?shù)毒叩倪\(yùn)動(dòng)誤差的作用。 光柵尺位移傳感器按照制造方法和光學(xué)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(gè)世紀(jì) 50 年代到 70 年代柵式測量系統(tǒng)從感應(yīng)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(gè)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(biāo)尺。它們有 各自的優(yōu)勢，相互補(bǔ)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(shù)性能優(yōu)于 其他 4 種，而且制造費(fèi)用又比感應(yīng)同步器、磁柵、球柵低，因此光柵發(fā)展得最快，技術(shù)性 能最高，市場占有率最高，產(chǎn)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(dá)到 30m 和 100m。 計(jì)量光柵技術(shù)的基礎(chǔ)是莫爾條紋 （Moire fringes） ， 1874 年由英國物理學(xué)家 L.Rayleigh 首先提出這種圖案的工程價(jià)值， 直到 20 世紀(jì) 50 年代人們才開始利用光柵的莫爾條紋進(jìn)行 精密測量。1950 年德國 Heidenhain 首創(chuàng) DIADUR 復(fù)制工藝，也就是在玻璃基板上蒸發(fā)鍍 鉻的光刻復(fù)制工藝，這才能制造高精度、價(jià)廉的光柵刻度尺，光柵計(jì)量儀器才能為用戶所 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 2 接受，進(jìn)入商品市場。1953 年英國 Ferranti 公司提出了一個(gè) 4 相信號(hào)系統(tǒng)，可以在一個(gè)莫 爾條紋周期實(shí)現(xiàn) 4 倍頻細(xì)分，并能鑒別移動(dòng)方向，這就是 4 倍頻鑒相技術(shù)，是光柵測量系 統(tǒng)的基礎(chǔ)，并一直廣泛應(yīng)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(zhuǎn)的圓光柵測量系統(tǒng)，能實(shí)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(gè)參考標(biāo)記（零位）的基礎(chǔ)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(shí)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(yīng)用于測量系 統(tǒng)。現(xiàn)在光柵測量系統(tǒng)已十分完善，應(yīng)用的領(lǐng)域很廣泛，全世界光柵直線傳感器的年產(chǎn)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(nèi)容： 1光柵傳感器的設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，原理的建立和聯(lián)系到原理所產(chǎn) 生的設(shè)計(jì)方法，方法的優(yōu)缺點(diǎn)，困難，和解決思路。在原理的完成，查漏，補(bǔ)全以及替換 上反復(fù)驗(yàn)證。各部分的采用實(shí)現(xiàn)，適合的元器件選擇，理論的完成設(shè)計(jì)思想。 2使用 protel 99 工具，學(xué)會(huì)使用工具，再熟悉并可以使用的基礎(chǔ)上根據(jù)完成的電路 設(shè)計(jì)，畫出原理電路圖，結(jié)合元器件的選擇，在版圖制作中進(jìn)行版圖制作，根據(jù)實(shí)際的生 產(chǎn)情況，對版圖的制作進(jìn)行修改加工，在實(shí)際的基礎(chǔ)上完成對版圖的制作。在這里需要對 實(shí)際工作的認(rèn)識(shí)和熟悉，加工工藝的要求在這里要有充分的認(rèn)識(shí)。 3熟悉光柵傳感器的制作工藝，了解生產(chǎn)過程，在工程生產(chǎn)中所要求的注意事項(xiàng)， 在工藝中實(shí)際的實(shí)現(xiàn)有技術(shù)要求， 要聯(lián)系到實(shí)際可能性和實(shí)用性， 最后完成并生產(chǎn)出實(shí)際 的光柵傳感器。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 3 第 2 章光柵測量技術(shù) 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(gè)系統(tǒng)性能。 光柵分為刻劃光 柵、復(fù)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(jī)械刻劃而成；復(fù)制 光柵是用母光柵復(fù)制而成。 典型刻劃光柵和復(fù)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(diǎn)，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(xì)的刻槽， 一系列平行刻槽的間隔與波 長相當(dāng)， 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(chǎn)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(gè)波長與級次 m 相對應(yīng)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(fù)。 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(zhuǎn)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(jù)羅蘭判據(jù)為： R=/ 光柵光譜儀中有實(shí)際意義的定義是測量單個(gè)譜線的半高寬(FWHM)。實(shí)際上，分辨率 依賴于光柵的分辨本領(lǐng)、系統(tǒng)的有效焦長、設(shè)定的狹縫寬度、系統(tǒng)的光學(xué)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(xué)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(shí)生活中的各種物理、 化學(xué)信息轉(zhuǎn)化成電子信號(hào)從而方便數(shù)據(jù)的 后期處理。 光柵尺所完成的任務(wù)就是把位移信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)變化的電信號(hào)。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(qiáng)度反應(yīng)到電路中從而得到相應(yīng)的電信號(hào)。 當(dāng)然， 為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確 性往往在光源后和光敏元件前增設(shè)透鏡裝置。 在生產(chǎn)實(shí)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(biāo)尺，尺的一側(cè)，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(gè)裂相窗口，其中 4 個(gè)窗口用與辨相計(jì)數(shù)，另外的窗口用于定位，每個(gè)窗口刻有與標(biāo)尺相 同柵矩的光柵條紋。當(dāng)測量光柵左右移動(dòng)時(shí)，透過光柵尺的光強(qiáng)度會(huì)有明暗的變化，通過 光敏元件把這種明暗變化用電信號(hào)表示出來，完成數(shù)據(jù)的采集。 圖 2-2光柵尺的主光柵尺與指示光柵示意圖 信號(hào)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(jù)采集原理示意圖 測量光 柵移動(dòng) 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(xué)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(chǎn)實(shí)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(biāo)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(gè)裂相窗口， 每個(gè)窗口上刻有與標(biāo)尺相同柵矩的明暗相間的 光柵條紋，且 4 個(gè)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(shí)物圖 使用時(shí)，主光尺是固定的，指示光柵在主光柵上移動(dòng)，按照收到光照程度不同產(chǎn)生正 弦波，由于 4 窗口位置的相位關(guān)系，因此產(chǎn)生的 4 個(gè)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(jīng)過指示光柵進(jìn)行讀取和記錄。 測量光 柵移動(dòng) 方向 主光柵 裂相 窗口 測 量 光 柵 0090018002700 北華航天工業(yè)學(xué)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(zhǔn)確的得到此刻的位移量， 為了能夠?qū)ξ灰拼笮?zhǔn) 確定位，往往增加一個(gè)特殊的窗口（定位窗口）來采取絕對位移信號(hào)。實(shí)際制造中，常會(huì) 在主光柵尺上方每隔一定的距離刻光柵條紋。 使用時(shí)， 當(dāng)定位窗口與定位光柵重合時(shí)就會(huì) 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(xué)院畢業(yè)論文 7 第 3 章光柵尺的電路設(shè)計(jì) 3.1 光柵尺辨相技術(shù) 3.1.1 辨相的原理 上章我們已經(jīng)闡述了光柵尺的信息采集，下文簡述光柵尺的如何進(jìn)行辨相。 圖 3-1 首先，看一下光柵采集數(shù)據(jù)的特點(diǎn)： 光柵尺如圖 3-1，當(dāng)用光電元件作為檢測元件接受光強(qiáng)明、暗變化時(shí)，就會(huì)轉(zhuǎn)換為相 應(yīng)的電信號(hào)。移動(dòng)測量光柵尺，兩尺柵線相對位置改變，使得每個(gè)裂相窗口中的光強(qiáng)發(fā)生 變化， 光電元件輸出電壓或電流波形與光強(qiáng)的變化類似， 是一個(gè)具有直流分量的正弦交變 信號(hào)。當(dāng)主光柵尺與指示光柵對應(yīng)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(rèn)為是莫爾條紋的亮帶；180窗口兩尺柵線 完全錯(cuò)開刻線對齊縫隙，窗口最黑暗，可認(rèn)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(shí)窗口半明半暗。光柵柵線很細(xì)肉眼看到的只是裂相窗口的平均光強(qiáng)。 此時(shí)，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(shè)測量光柵向右移動(dòng) 1/4 柵距時(shí)，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(dòng) 1/2 柵距時(shí)，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(dòng) 3/4 柵距時(shí)，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(xué)院畢業(yè)論文 8 圖 3-2 波形輸出 以 90與 180窗口對應(yīng)輸出的兩個(gè)正弦電信號(hào)為一組送入一個(gè)差動(dòng)放大器，再把 90 與 270窗口對應(yīng)輸出的兩個(gè)正弦電信號(hào)為一組送入另一個(gè)差動(dòng)放大器，這樣，四個(gè)光電 接收管的信號(hào)經(jīng)過兩個(gè)差動(dòng)放大器后，消除了直流分量，轉(zhuǎn)換為兩路相位相差 90的正弦 交流信號(hào) u1 、u2 輸出 同理左移測量光柵尺得到圖 3-3A 所示波形，對應(yīng)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(dòng)，只要是向左移動(dòng)，u2 波形相位落后 u1 波形 90； 測量光柵尺向右移動(dòng)， u2 波形相位超前 u1 波形 90。 將以上兩路信號(hào)送入辯向電路， 即可區(qū)分測量光柵尺的移動(dòng)方向。 0 0 t 2 2 u1 u2 t u 0 0t 180 2 0 t 90270 u 2 A 四個(gè)光電管輸出波形 B 兩個(gè)差動(dòng)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(gè)光電管輸出波形 B 兩個(gè)差動(dòng)放大器輸出波 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 9 光柵輸出的回路信號(hào),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(hào) 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(hào) A 和 B,經(jīng)過辨相電路，當(dāng)測量光柵右移時(shí)使得計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù) 數(shù)，左移時(shí)減計(jì)數(shù)，此時(shí)，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(jù)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(shí)， u2波形相位落后 u1波形 90。 兩路信號(hào)經(jīng)放大整形輸出兩路相差 90 的方波信號(hào) u1 , u2。接著我們對 u 1 及其反向信號(hào)進(jìn)行微分，得到的兩路微分信號(hào)分別 與 u2 做與運(yùn)算。觀察圖形可知 Y 2有輸出而 Y1無輸出，經(jīng) RS 觸發(fā)器，Q 輸出高電平，此 時(shí)可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù)。同理，測量光柵右移時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行減計(jì)數(shù)。至此，我們 完成了當(dāng)測量光柵右移時(shí)使得計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù)數(shù)， 左移時(shí)減計(jì)數(shù)的設(shè)計(jì)要求， 電路辨相完成。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 10 圖 3-6 辨相電路各點(diǎn)輸出波形 3.2 細(xì)分原理 經(jīng)過整形電路后的輸出信號(hào)放大倍數(shù)有限， 精度也不是很高， 所以需要細(xì)分電路處理。 這就分為軟件細(xì)分和硬件細(xì)分。目前，光柵計(jì)量的軟件細(xì)分方法有：正切查表法、直接細(xì) 分法、斜率陡峭切割法等。硬件細(xì)分方法很多下面介紹幾種。 3.2.1 四細(xì)分 光柵傳感器輸出兩路相位相差為 90的方波信號(hào) A 和 B.如圖 3-4 所示，用 A，B 兩 相信號(hào)的脈沖數(shù)表光柵走過的位移量，標(biāo)志光柵分正向與反向移動(dòng)四倍頻后的信號(hào)，經(jīng) 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后轉(zhuǎn)化為相對位置.計(jì)數(shù)過程一般有兩種實(shí)現(xiàn)方法：一是由微處理器內(nèi)部定時(shí) 計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)；二是由可逆計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)對正反向脈沖的計(jì)數(shù)。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 11 圖 3-7 光柵傳感器輸出信號(hào)示意圖 3.2.2 五細(xì)分 五細(xì)分電路可以和其他細(xì)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(xì)分，通過對正弦信號(hào)移向并組合，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)分。 首先介紹一下電阻鏈移向原理：根據(jù)戴維南的等值發(fā)電機(jī)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(xué)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(dāng)選不同的 1 R 和 2 R 值時(shí)，可獲得不同的相移角 t，從而使得正弦信號(hào)得到移相的 目的。此后，經(jīng)過電路的整合達(dá)到細(xì)分的目的。 實(shí)際生產(chǎn)中往往采用集成電路， 電路內(nèi)部框圖如圖 3-9， 輸入端有sin，cos， sin, 比較電平和絕對零點(diǎn)五路輸入信號(hào)，輸出 O1,O2,O。首先，sin和cos信號(hào)經(jīng)過電阻鏈 1 形成sin，sin( 18 ) ，sin( 36 ) ，sin( 54 ) ，sin( 72 ) 五路信號(hào)，同理由cos和 sin產(chǎn)生 sin90 ，sin( 108 ) ，sin( 126 ) ，sin( 144 ) ，sin( 162 ) 。經(jīng)過 過零比較器產(chǎn)生十路方波信號(hào)，再經(jīng)過如圖組合的異或電路形成兩路相差 90 度的五細(xì)分 方波信號(hào)。以上就是五細(xì)分電路的基本原理。 至此，電路設(shè)計(jì)完畢。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 13 圖 3-9 五細(xì)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(xué)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(shè)計(jì)，在基礎(chǔ)電路設(shè)計(jì)完成后，需要實(shí)現(xiàn)硬件的產(chǎn)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(guān)鍵，是基于電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，繪制電 路版圖，利用軟件功能，實(shí)現(xiàn)硬件電路板的設(shè)計(jì)。根據(jù)軟件功能，布線布局安排好后，可 由廠家直接生產(chǎn)電路板，實(shí)現(xiàn)硬件的設(shè)計(jì)。 本次設(shè)計(jì)采用 Protel 99 軟件完成對電路版圖的設(shè)計(jì)和制作。在設(shè)計(jì)制作中，耗用了 大量的時(shí)間在布局設(shè)計(jì)上面，是本次設(shè)計(jì)最為耗時(shí)的環(huán)節(jié)。 4.2 版圖制作設(shè)計(jì) Protel 99是應(yīng)用最廣泛的電子線路設(shè)計(jì)軟件，使用簡單、易于學(xué)習(xí)、功能強(qiáng)大。此次 設(shè)計(jì)使用該軟件實(shí)現(xiàn)電路版圖的制作，繪制。為硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供指導(dǎo)。由于電路設(shè)計(jì)的 完成，按照原理圖，首先構(gòu)建電路圖，在軟件環(huán)境中把前面提到的電路設(shè)計(jì)思想用電路圖 的形式畫出來，同時(shí)注意器件的選擇，擺放的結(jié)構(gòu)，各部分細(xì)節(jié)，都要完整，不可缺失。 4.2.1 軟件環(huán)境介紹 本設(shè)計(jì)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(dāng)之無愧地排在眾多 EDA 軟件的前面，是電子設(shè)計(jì)者的首選軟件，它較早就在國內(nèi)開 始使用，在國內(nèi)的普及率也最高。完整的板級全方位電子設(shè)計(jì)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(hào)仿真、 多層印制電路板設(shè)計(jì) （包含印制電路板自動(dòng)布線） 、 可編程邏輯器件設(shè)計(jì)、 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(wù)器）體系結(jié)構(gòu)，同時(shí)還兼容一些其它設(shè)計(jì)軟件的文件格式，如 ORCAD， PSPICE，EXCEL 等，其多層印制線路板的自動(dòng)布線可實(shí)現(xiàn)高密度 PCB 的 100布通率。 4.2.2 電路圖的繪制 啟動(dòng) Protel 99 軟件，新建 sch 文件，根據(jù)前面設(shè)計(jì)的電路，調(diào)用合適的元件，開始繪 制電路圖。同電路設(shè)計(jì)類似，電路圖的設(shè)計(jì)同樣各部分都要一一對應(yīng)。各部分功能都相應(yīng) 實(shí)現(xiàn)，電路圖的設(shè)計(jì)，功能調(diào)試，完成后，進(jìn)行檢測。 北華航天工業(yè)學(xué)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(shè)計(jì) 在完成電路圖后，要對電路進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)，這一處更加費(fèi)時(shí)費(fèi)力，把對應(yīng)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(diǎn)上，經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)，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(xì)。 下面將對版圖各部分進(jìn)行圖片示意，在版圖設(shè)計(jì)中，布局尤為關(guān)鍵，但是還有一個(gè)不 可忽視的問題存在，可實(shí)現(xiàn)性。不是所有版圖最精細(xì)，最簡省就是好的，可采用的，工藝 上有些是達(dá)不到的， 所以在設(shè)計(jì)中還要考慮到可實(shí)現(xiàn)性的問題， 在這一方面， 我缺乏經(jīng)驗(yàn)， 卻得到指導(dǎo)老師的指導(dǎo)，對于一些理論存在，但無法實(shí)現(xiàn)的部分作了修改和調(diào)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(xué)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(xué)院畢業(yè)論文 17 圖 4-5 底面圖 最終完成的版圖設(shè)計(jì)如下： 圖 4-6 完成圖 版圖的設(shè)計(jì)中，軟件提供了自動(dòng)布線，但是實(shí)際存在是否可以實(shí)現(xiàn)的問題，所以在版 圖的設(shè)計(jì)中我經(jīng)過了多次的布線，設(shè)計(jì)，重新布局，甚至電路都改了很多次，相應(yīng)的版圖 也要重新設(shè)計(jì)，這是這次設(shè)計(jì)中最為困難的一部分，直到最后的認(rèn)定可行，經(jīng)過了大量的 工作和實(shí)驗(yàn)。在這過程中的辛苦和汗水換來了最后版圖設(shè)計(jì)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(diǎn)1 PAD-12.5V 測點(diǎn)1 PAD-15V1 PAD-190 測點(diǎn)1 PAD-1180 測點(diǎn)1 PAD-1GND1 SIP-31K2 北華航天工業(yè)學(xué)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(shù)性能指標(biāo) 表 4-2 性能指標(biāo) 量程（mm）01100 準(zhǔn)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(fù)性1 個(gè)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(hào)A，B 倆路正弦信號(hào) 五細(xì)分適配器 輸入波形：相差 90 度倆路正弦信號(hào) 輸出波形：相差 90 的倆路 TTL 方波信號(hào) 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(xué)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(shù)是當(dāng)今新技術(shù)革命的核心,其技術(shù)基礎(chǔ)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(shè)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(chǎn)工藝和 生產(chǎn)控制下，仍然不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些有缺陷、質(zhì)量不符合要求的產(chǎn)品。所以在裝機(jī)前 對元器件進(jìn)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(yàn)和試驗(yàn)剔除不合格或有可能早期失效產(chǎn)品的方法。 檢驗(yàn)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(qiáng)應(yīng)力下進(jìn)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(chǎn)廠按元器件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 和訂貨合同要求進(jìn)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(jìn)行的篩選。 篩選的目的是有效地剔除早期失效產(chǎn)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(chǎn)品固有可靠性的有效手段。 元 器件經(jīng)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(dǎo)彈這樣在飛行任務(wù)期間沒有可能維修、可靠性指標(biāo)要求又很高的產(chǎn)品尤其重要。 5.1.2 元器件篩選的原理 元器件是整機(jī)的基礎(chǔ),它在制造過程中可能會(huì)由于本身固有的缺陷或制造工藝的控制 不當(dāng)，在使用中形成與時(shí)間或應(yīng)力有關(guān)的失效。為了保證整批元器件的可靠性，滿足整機(jī) 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(shí)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(shí)間的增加而迅速下降，使用壽命期(或稱偶然失效期)內(nèi)失效率基本不變。篩 選的過程就是促使元器件提前進(jìn)入失效率基本保持常數(shù)的使用壽命期,同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)去衡量。 判斷元器件的失效與否是由失效判別標(biāo)準(zhǔn) 即失效判據(jù)所確定的。失效判據(jù)是質(zhì)量和可靠性的指標(biāo)，有時(shí)也有成本的內(nèi)涵，所以元器 件失效不僅指功能的完全喪失，而且指電學(xué)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(chǎn)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(yàn)失效。現(xiàn)場失效一般是在裝機(jī)以后出現(xiàn)的失效，因此， 北華航天工業(yè)學(xué)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(yàn)失效。試驗(yàn)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(yīng)力篩選來檢測。 所謂環(huán)境應(yīng)力篩選， 即在篩選時(shí)選擇若干典型的 環(huán)境因素，施加于產(chǎn)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(chǎn) 品可靠性接近設(shè)計(jì)的固有可靠性水平， 而不使產(chǎn)品受到疲勞損傷。 在正常情況下是通過在 檢測時(shí)施加一段時(shí)間的環(huán)境應(yīng)力后，對外觀的檢查(主要是鏡檢，根據(jù)元器件的質(zhì)量要求， 采用放大 10 倍對元器件外觀進(jìn)行檢測，也可以根據(jù)需要安排紅外線及 X 射線檢查) ，以 及氣密性篩選來完成，當(dāng)有特殊需要時(shí)，可以增加一些 DPA(破壞性物理分析)等特殊測 試；這些篩選項(xiàng)目對電性能失效模式不會(huì)產(chǎn)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(jié)性失效、功能性失效和電參數(shù)失效。連結(jié)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?yàn)樵谠骷Y選 測試過程中，由于過電應(yīng)力所引起的大多為連結(jié)性失效，同時(shí),連結(jié)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(huì)引發(fā)連結(jié)性失效。主要原因是， 當(dāng)連結(jié)性失效模式被特定的篩選條件觸發(fā)時(shí)，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(jī)械和熱應(yīng)力損傷,但 是有時(shí)并不表現(xiàn)為連結(jié)性故障，而是反映為金屬疲勞、鍵合強(qiáng)度不夠等問題，這些本身不 會(huì)引發(fā)連結(jié)性失效， 但是會(huì)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(shí)，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(shè)計(jì)中 的缺陷以及生產(chǎn)工藝控制不嚴(yán)， 使生產(chǎn)過程中各種生產(chǎn)要素如空氣潔凈度等級、 超純水的 質(zhì)量監(jiān)測、 超純氣體和化學(xué)試劑達(dá)不到規(guī)定的要求； 在運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)過程中由于防靜電措施不 到位也會(huì)發(fā)生靜電損傷。這些因素作用下半導(dǎo)體晶體會(huì)受到各種表面污染物的玷污,會(huì)使 產(chǎn)品不能達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量等級要求。 當(dāng)受到特定的外部條件激發(fā)的情況下， 就會(huì)產(chǎn)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(jié)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(jié)性失效不產(chǎn)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(shí),有兩種方案： 方案1:將不產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在前面,將不產(chǎn)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(huì)發(fā)現(xiàn)將可以與其他失效模式產(chǎn)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(xué)院畢業(yè)論文 21 在后面時(shí),出現(xiàn)本身失效模式?jīng)]有被觸發(fā)、其他關(guān)聯(lián)的相關(guān)失效模式被觸發(fā)的情況時(shí),這種 帶有缺陷的元器件不能被準(zhǔn)確地定位、 剔除,因?yàn)樵擃愂Ｊ降臋z測已經(jīng)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(zhì)、經(jīng)濟(jì)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(dāng)一種失效模式可以與其他失效模式產(chǎn)生關(guān)聯(lián)時(shí),應(yīng)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(jìn)行篩選時(shí),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(jìn)行。 4考慮經(jīng)濟(jì)性,便宜的先做。 5考慮時(shí)間性,時(shí)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(jīng)前面參數(shù)測試后可能產(chǎn)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(jī)床的不同部位。 一般將主尺安裝在機(jī)床的工作臺(tái) （滑板） 上， 隨機(jī)床走刀而動(dòng)， 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(shí)， 則必須增加輔助密封 裝置。另外，一般情況下，讀數(shù)頭應(yīng)盡量安裝在相對機(jī)床靜止部件上，此時(shí)輸出導(dǎo)線不移 動(dòng)易固定，而尺身則應(yīng)安裝在相對機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(shí)， 不能直接將傳感器安裝在粗糙不平的機(jī)床身上， 更不能安 裝在打底涂漆的機(jī)床身上。 光柵主尺及讀數(shù)頭分別安裝在機(jī)床相對運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)部件上。 用 千分表檢查機(jī)床工作臺(tái)的主尺安裝面與導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的方向平行度。 千分表固定在床身上， 移 動(dòng)工作臺(tái)，要求達(dá)到平行度為 0.1mm/1000mm 以內(nèi)。如果不能達(dá)到這個(gè)要求，則需設(shè)計(jì) 加工一件光柵尺基座?；笞龅剑簯?yīng)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(nèi)。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(shí)，調(diào)整讀數(shù)頭位置，達(dá)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(xué)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(jī)床安裝的工作臺(tái)安裝面上，但不要上緊，把千分表固定 在床身上，移動(dòng)工作臺(tái)（主尺與工作臺(tái)同時(shí)移動(dòng)） 。用千分表測量主尺平面與機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn) 動(dòng)方向的平行度，調(diào)整主尺 M4 螺釘位置，使主尺平行度滿足 0.1mm/1000mm 以內(nèi)時(shí)， 把 M2 螺釘徹底上緊。在安裝光柵主尺時(shí)，應(yīng)注意如下三點(diǎn)： （1） 在裝主尺時(shí)，如安裝超過 1.5M 以上的光柵時(shí)，不能象橋梁式只安裝兩端頭， 尚需在整個(gè)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(gè)卡子卡住尺身中點(diǎn)（或幾點(diǎn)） 。 （3） 不能安裝卡子時(shí)，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(shí)，首先應(yīng)保證讀數(shù)頭的基面達(dá)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(diào)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(nèi)， 其讀數(shù)頭與主尺的間隙控制在 11.5mm 以內(nèi)。 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(jī)床導(dǎo)軌上安裝限位裝置， 以免機(jī)床加 工產(chǎn)品移動(dòng)時(shí)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(shí)，應(yīng)盡量選用超出機(jī)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(dòng)工作臺(tái)，觀察數(shù)顯表計(jì)數(shù)是否正 常。 在機(jī)床上選取一個(gè)參考位置， 來回移動(dòng)工作點(diǎn)至該選取的位置。 數(shù)顯表讀數(shù)應(yīng)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(shí)調(diào)至零（或記憶起始數(shù) 據(jù)） ，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(jù)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(jī)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(yīng)附帶加裝護(hù)罩，護(hù)罩的設(shè)計(jì)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(hù)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(xué)院畢業(yè)論文 23 5.2.6 光柵傳感器安裝注意事項(xiàng) （1）光柵傳感器與數(shù)顯表插頭座插拔時(shí)應(yīng)關(guān)閉電源后進(jìn)行。 （2）盡可能外加保護(hù)罩，并及時(shí)清理濺落在尺上的切屑和油液，嚴(yán)格防止任何異物 進(jìn)入光柵傳感器殼體內(nèi)部。 （3）定期檢查各安裝聯(lián)接螺釘是否松動(dòng)。 （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(shí)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(yán)禁劇烈震動(dòng)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(dòng)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(bào)廢。 （8） 應(yīng)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(yīng)盡量避免在有嚴(yán)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(zhì)量。周知，在 PLC 控制過程當(dāng)中，CPU 對進(jìn)程中的 PID 運(yùn)算 總是顯得很難處理，這是由于 PID 運(yùn)算會(huì)帶來很大的運(yùn)算量，使得在運(yùn)算過程中，可能 會(huì)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(xué)院畢業(yè)論文 24 第 6 章 結(jié)論 在指導(dǎo)老師的大力支持和辛苦教導(dǎo)下， 絕對式光柵尺的設(shè)計(jì)得以順利結(jié)束。 本設(shè)計(jì)用 于數(shù)控機(jī)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(dǎo)， 都讓我受益匪淺， 本設(shè)計(jì)由于目的在于位移測量， 要求細(xì)致操作， 任何不當(dāng)操作和用力使用都會(huì)對傳感器造 成嚴(yán)重不可修復(fù)的傷害。需要在使用中重點(diǎn)注意。 本設(shè)計(jì)總結(jié)性的介紹了以下內(nèi)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(shí)現(xiàn)高精度的位移測量，我們采用了 5 細(xì)分電路的設(shè)計(jì)思想，并且因?yàn)楣鈻旁?我們使用 4 種不同相位的信號(hào)，產(chǎn)生辨向電路，判別位移正負(fù)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(shí)要消除干擾。最后獲取 A,B，Z 信號(hào)，并對周期進(jìn)行 計(jì)數(shù)，換算為位移大小，實(shí)現(xiàn)測距的電路思路設(shè)計(jì)； 2在獲取了電路設(shè)計(jì)的同時(shí)，我們還要將思想實(shí)際化，即生產(chǎn)實(shí)物。而在倆者間， 我們需要設(shè)計(jì)電子版圖。這一點(diǎn)深受導(dǎo)師的啟發(fā)，軟件的設(shè)計(jì)，調(diào)試，思路，都得到導(dǎo)師 的大力幫助，電子電路圖設(shè)計(jì)是很細(xì)致的過程，在這方面很下了一番功夫，軟件的幫助下 自動(dòng)可以生成電子版圖，由于自動(dòng)的布線，不同的位置都需要優(yōu)化和調(diào)整，在這一環(huán)節(jié)， 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)提出安裝工藝上的流程和安裝的注意事項(xiàng)， 制作工藝是設(shè)計(jì)上很講究技術(shù)的一部分； 4介紹了安裝調(diào)試，及測量中的使用方法； 5最后對整個(gè)設(shè)計(jì)思路，方法進(jìn)行了總結(jié)。 光柵傳感器的設(shè)計(jì)作為數(shù)控上的研究課題， 在未來不斷精確地要求下會(huì)不斷的往更加 精細(xì)的方向發(fā)展，隨著技術(shù)的進(jìn)不，設(shè)計(jì)方法和思路也將越來越先進(jìn)。隨著全球的極小化 變化，工藝上要求更加細(xì)微，位移的測量始終是最受歡迎的課題，設(shè)計(jì)越精細(xì)，越精準(zhǔn)， 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(shè)計(jì)技術(shù)越先進(jìn)，在未來將越有競爭力。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 25 致謝 本文研究工作是在我的導(dǎo)師王援朝教授的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的， 從開題伊始 到論文結(jié)束， 我所取得的每一個(gè)進(jìn)步、 編寫的每一段程序都無不傾注著導(dǎo)師辛勤的汗水和 心血。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的各科知識(shí)、無私的奉獻(xiàn)精神使我深受啟迪，從尊敬的 導(dǎo)師身上，我不僅學(xué)到了扎實(shí)、寬廣的專業(yè)知識(shí)，也學(xué)到了做人的道理。在今后的學(xué)習(xí)工 作中，我將銘記恩師對我的