周密工作臺(tái)的光柵定位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書設(shè)計(jì)題目：周密工作臺(tái)的光柵定位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一章.國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀概述3第二章.整體方案設(shè)計(jì)7第三章.測(cè)量方式設(shè)計(jì)10第四章.操縱方式設(shè)計(jì)11第五章.總結(jié)16第六章.參考文獻(xiàn)17第一章.國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀概述隨著數(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，加工精度和靠得住性方面都有了龐大的進(jìn)步。作為數(shù)控機(jī)床核心技術(shù)之一的光柵測(cè)量技術(shù)對(duì)保障現(xiàn)代機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)起著決定性的作用。清楚了解現(xiàn)代光柵測(cè)量技術(shù)的進(jìn)展趨勢(shì)，正確選擇適合自身需求的光柵測(cè)量系統(tǒng)對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)師和機(jī)床用戶有著重要的意義。全閉環(huán)操縱慢慢成為標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)床熱變形致使的加工誤差無(wú)法進(jìn)行補(bǔ)償。在

2、過(guò)去的十余年中，采納數(shù)學(xué)建模預(yù)測(cè)變形或通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量溫度轉(zhuǎn)變來(lái)計(jì)算變形等嘗試在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)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(jī)床，機(jī)床傳動(dòng)部件的熱變形處于位置操縱環(huán)之內(nèi)，誤差自動(dòng)取得補(bǔ)償。與半閉環(huán)系統(tǒng)不同，全閉環(huán)系統(tǒng)的補(bǔ)償成效幾乎不隨機(jī)床工況，磨損狀況及加工程序的不同而發(fā)生轉(zhuǎn)變，機(jī)床能夠長(zhǎng)期維持初始加工精度。這關(guān)于機(jī)床生產(chǎn)廠家和用戶來(lái)講，都意味著龐大的經(jīng)濟(jì)效益。絕對(duì)式光柵正成為趨勢(shì)，所謂絕對(duì)式光柵是相關(guān)于增量式光柵而言的，增量式光柵通過(guò)對(duì)光柵探頭掃描過(guò)的柵線進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)取得相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離數(shù)據(jù)。為了取得絕對(duì)位置，增量式光柵在開機(jī)后須執(zhí)行過(guò)參考點(diǎn)動(dòng)作。絕對(duì)式光柵以不同寬度，不同間距的柵

3、線將絕對(duì)位置數(shù)據(jù)以編碼形式直接制作到光柵上，光柵開機(jī)后立刻能夠提供絕對(duì)位置信息，無(wú)需執(zhí)行過(guò)參考點(diǎn)動(dòng)作。通常絕對(duì)式光柵在絕對(duì)軌之外還同時(shí)配備有增量軌，用以進(jìn)一步提高光柵的精度與分辨率?，F(xiàn)今世界，提高運(yùn)營(yíng)效率己成為整個(gè)制造行業(yè)面臨的重大課題，因此，測(cè)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(yíng)和技術(shù)創(chuàng)新的前提下，對(duì)測(cè)量?jī)x器行業(yè)也提出了更高的要求，即量?jī)x產(chǎn)品必需實(shí)現(xiàn)高速、高精度和系統(tǒng)化，而且必需與IT產(chǎn)業(yè)的進(jìn)展相對(duì)應(yīng),同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)質(zhì)量治理測(cè)量技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)中的一個(gè)重要組成部份，它是進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的依據(jù)，它支撐著社會(huì)的技術(shù)進(jìn)步，為眾多領(lǐng)域的科學(xué)探討活動(dòng)提供實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)手腕，為人類有序的生產(chǎn)活動(dòng)提供

4、必需的技術(shù)保障。測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、平安裝置、社會(huì)技術(shù)保障體系、大型高速交通運(yùn)載工具、醫(yī)療系統(tǒng)和國(guó)防工程的核心技術(shù)。作為周密機(jī)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(lái)隨著微電子術(shù)、宇航、生物工程等學(xué)科的進(jìn)展而迅速地進(jìn)展起來(lái)。而定位與測(cè)量技術(shù)的水平幾乎左右著位移技術(shù)的進(jìn)展，因此直接阻礙到微電子技術(shù)等高精度工業(yè)的進(jìn)展。目前，光柵位移測(cè)量技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)做熟，但隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的進(jìn)展，對(duì)光柵位移測(cè)量的要求也會(huì)隨之提高。為了知足更高的要求,光柵位移測(cè)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(zhǎng)氣宇檢測(cè)系統(tǒng)中，光柵測(cè)量系統(tǒng)占有明顯優(yōu)勢(shì)，有著普遍的市場(chǎng)前景。柵式測(cè)量系統(tǒng)是將

5、一個(gè)柵距周期內(nèi)的絕對(duì)式測(cè)量和周期外的增量式測(cè)量結(jié)合起來(lái)，測(cè)量單位不是像激光一樣的光波波長(zhǎng)，而是通用的米制（或英制）標(biāo)尺。光柵長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的分辨率已覆蓋微米級(jí)、亞微米級(jí)和納米級(jí)；測(cè)量速度從60m/min至480m/min。測(cè)量長(zhǎng)度從Im、3m至30m和100m。1999年10月在中國(guó)召開的“面向21世紀(jì)計(jì)量測(cè)試?yán)碚撆c儀器”研討會(huì)以為:納米級(jí)測(cè)量己經(jīng)成為現(xiàn)今測(cè)量領(lǐng)域的熱點(diǎn)，在新的世記要繼續(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(jì)量測(cè)試儀器。在如此背景下，周密工作臺(tái)光柵定位測(cè)量與操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)也就如此應(yīng)運(yùn)而生，該研究能專門好的知足超周密加工和超周密檢測(cè)的要求，對(duì)現(xiàn)代工業(yè)

6、技術(shù)的進(jìn)展具有重要意義。我國(guó)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(cè)量裝置生產(chǎn)廠家相較（德國(guó)的OPTION、Heidenhain公司、日本的三豐、雙葉、美國(guó)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(shè)計(jì)方案的構(gòu)思本次課程設(shè)計(jì)為周密工作臺(tái)光柵定位測(cè)量與操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以計(jì)量光柵為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)莫爾條紋的工作原理、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)和電子細(xì)分技術(shù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)周密工作臺(tái)的光柵定位測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)周密工作臺(tái)機(jī)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(yīng)以知足利用要求而又經(jīng)濟(jì)合理為準(zhǔn)那么。但作為精度補(bǔ)償用的周密工作臺(tái)，因它的精度要求比較高，一樣都在亞微米級(jí)以上，因此設(shè)計(jì)時(shí)知足利用要求外，還應(yīng)具有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。作為理想周密微動(dòng)工作臺(tái)，應(yīng)知足以下要求：1 .周密工作臺(tái)的支承或?qū)к壐睉?yīng)無(wú)機(jī)械摩擦和無(wú)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(fù)精度，同時(shí)還應(yīng)知足工作進(jìn)程；2 .周密工作臺(tái)應(yīng)具有較高的幾何精度，即顛擺、滾擺和搖擺誤差耍小，還應(yīng)具有較高的精度穩(wěn)固性；3 .周密工作臺(tái)應(yīng)具有較高的固有頻率，以確保微動(dòng)臺(tái)有良好的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾能力，即最好采納直接驅(qū)動(dòng)的方式，無(wú)傳動(dòng)環(huán)節(jié)；4 .周密工作臺(tái)的定位系統(tǒng)要便于操縱，而

8、且響應(yīng)速度快。.整體方案框圖.說(shuō)明計(jì)量光柵具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)測(cè)量精度高。計(jì)量光柵應(yīng)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(duì)刻畫誤差有均化作用。因此利用莫爾條紋信號(hào)所測(cè)量地位置精度較線紋尺等高，可用于微米級(jí)，亞微米級(jí)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(shí)刻常數(shù)，能夠從每秒零次至數(shù)十萬(wàn)次，既可用于靜止的,也能夠用于運(yùn)動(dòng)的，超級(jí)適合動(dòng)態(tài)測(cè)量定位系統(tǒng)。(3)分辨率高。經(jīng)常使用光柵柵距為10-50um,細(xì)分后很容易做到的分辨率，最高分辨率可達(dá)到。(4)讀數(shù)易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，自動(dòng)化。莫爾條紋信號(hào)接近正弦，比較適合于電路處置.，故其測(cè)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(yùn)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，且穩(wěn)固靠得住。第三章.測(cè)量方式設(shè)計(jì)測(cè)量方案框圖光電檢測(cè)器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，由光柵傳感器產(chǎn)生兩組信號(hào)別離結(jié)果差動(dòng)放大與整形器整形后，輸出脈沖信號(hào)，然后結(jié)果細(xì)分電路進(jìn)入點(diǎn)偏激系統(tǒng)，從而點(diǎn)偏激對(duì)輸入脈沖進(jìn)行技術(shù)。當(dāng)兩塊光柵以微笑傾角重疊時(shí)，在與光柵刻度大致垂直的方向上就會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋，在條紋移動(dòng)的方向上放置光電探測(cè)器，可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，如此就可實(shí)現(xiàn)位移信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。由于位移是一個(gè)矢量，既要檢測(cè)其大小，又要檢測(cè)其方向，一次至少需要兩路相位不同的光電信號(hào)，由4個(gè)光電器件取得的4路光電信號(hào)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(hào)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(yīng)移動(dòng)時(shí)，從差分放大器輸出的兩路信號(hào)相位差都是pi/2,將2個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較，就能夠夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行辨向，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行辨向后，辨向后的信號(hào)通過(guò)細(xì)分，打到更高的精度，經(jīng)細(xì)分后的信號(hào)通過(guò)計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)位移的測(cè)量測(cè)量原理光柵測(cè)量位移的實(shí)質(zhì)是以光柵柵距為一把標(biāo)準(zhǔn)尺子對(duì)位移量進(jìn)行量。為了提高系統(tǒng)分辯率，需要對(duì)莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分，設(shè)計(jì)采納了電子細(xì)分方式。當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí)，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋，隨著光柵的移動(dòng)，莫爾條紋也隨之上下移動(dòng)。如此就把對(duì)光柵柵距的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)莫爾條紋個(gè)數(shù)的測(cè)量，同時(shí)

11、莫爾條紋又具有光學(xué)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(jì)量光柵分為振幅光柵和相位光柵叫E2光卷|測(cè)原理國(guó)測(cè)量精度分析扭轉(zhuǎn)角的測(cè)量是依照奠爾條紋寬度轉(zhuǎn)變或奠爾條紋在測(cè)量坐標(biāo)系中的傾角轉(zhuǎn)變求解，因此測(cè)量扭轉(zhuǎn)角的精度，決定于對(duì)莫爾條紋寬度轉(zhuǎn)變的最小分辨力或是對(duì)莫爾條紋傾角轉(zhuǎn)變的最小分辨力。以條紋寬度為分析對(duì)象對(duì)測(cè)量角分辨力進(jìn)行分析。兩光柵的間距一按時(shí)，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(zhǎng)時(shí)對(duì)應(yīng)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(shí)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(duì)應(yīng)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(shí)，莫爾條紋的寬度由粗到細(xì)，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(shí)，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(shí)引發(fā)的奠爾條紋寬度轉(zhuǎn)變.在那個(gè)夾角范圍內(nèi)，奠爾條紋的寬度從無(wú)窮大轉(zhuǎn)變到4812.9urn,轉(zhuǎn)變超級(jí)猛烈。ONV 看號(hào) *-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(zhǎng)變化關(guān)系顯然兩光柵夾角越小，莫爾條紋寬度越寬時(shí)，測(cè)量靈敏度和測(cè)量精度越高。當(dāng)兩光柵夾角在0°至轉(zhuǎn)變時(shí)，盡管在那個(gè)夾角范圍

14、內(nèi)進(jìn)行測(cè)量時(shí)測(cè)量靈敏度最高，精度也最高。當(dāng)兩光柵夾角處于。那個(gè)范圍時(shí)，測(cè)量靈敏度較高，測(cè)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(biāo)表示兩光柵夾角處于。轉(zhuǎn)變，而且2000等分，即以1.8的步長(zhǎng)遞增，縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)每一個(gè)角度步長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的莫爾條紋寬度遞減量。當(dāng)兩光柵夾角接近。時(shí)，兩光柵夾角有一個(gè)步長(zhǎng)，即的轉(zhuǎn)變量時(shí)，莫爾條紋寬度遞減量大于um,當(dāng)兩光柵夾角接近。時(shí)，兩光柵夾角有一個(gè)步長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變量時(shí)，莫爾條紋寬度遞減量接近um。因?yàn)楸鞠到y(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(gè)像元尺寸時(shí)，CCD無(wú)法分辨

15、，當(dāng)兩光柵夾角大于。時(shí)，莫爾條紋的寬度轉(zhuǎn)變量更小，CCD更是無(wú)法分辨，不能知足高精度測(cè)量要求。木文對(duì)CCD搜集的莫爾條紋圖像進(jìn)行亞像素細(xì)分.以提高測(cè)量精度。第四章.操縱方式設(shè)計(jì).儀器操縱方案操縱方案原理，本次課程設(shè)計(jì)采納51系列單片機(jī)作為操縱部份的核心元件，鍵盤輸入后，單片機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)整個(gè)工作臺(tái)，光柵測(cè)量系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量所得的信號(hào)經(jīng)處置、計(jì)數(shù)顯示并傳遞給單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)操縱系統(tǒng)的閉環(huán)操縱。測(cè)控電路的框圖及要求在一個(gè)莫爾條紋寬度內(nèi)依照必然距離放置4個(gè)電器件就能夠?qū)崿F(xiàn)電子細(xì)分與判向功能。木系統(tǒng)采納的光柵尺柵線為50對(duì)/mm，其光柵柵距為，假設(shè)采納四

16、細(xì)分后即可取得分辨率為5Um的計(jì)數(shù)脈沖。由于位移是一個(gè)矢量,即要檢測(cè)其大小,又要檢測(cè)其方向，因此至少需要兩路相位不同的光電信號(hào)。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(yùn)放組成的差分放大器。由4個(gè)光電器件取得的4路光電信號(hào)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(hào)其相位差為兀/2,為取得判向和計(jì)數(shù)脈沖，需對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)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(gè)與或非門74LS54芯片組成的四細(xì)分判向電路輸入可逆計(jì)數(shù)器，最后送入由8031組成的單片機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行處置。測(cè)量方面5倍頻細(xì)分和4細(xì)分辨向電路在采納莫爾條紋測(cè)量位移的時(shí)候，假設(shè)單純的對(duì)一個(gè)額周期進(jìn)行

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

18、有經(jīng)歷功能的D型觸發(fā)器和時(shí)鐘發(fā)生電路。由圖4可見(jiàn)，每一道有兩個(gè)D觸發(fā)器串接，如此，在時(shí)鐘脈沖的距離中，兩個(gè)Q端（如對(duì)應(yīng)B道的74LS175的第二、7引腳）維持前兩個(gè)時(shí)鐘期的輸入狀態(tài)，假設(shè)二者相同，那么表示時(shí)鐘距離中無(wú)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(dāng)某道由于振動(dòng)在高'、'低'間往復(fù)轉(zhuǎn)變時(shí)，將交替產(chǎn)生正向'和'反向'脈沖，這在對(duì)兩個(gè)計(jì)數(shù)器取代數(shù)和時(shí)就可排除它們的阻礙（下面儀器的讀數(shù)也將涉及這點(diǎn)）。由此可見(jiàn)，時(shí)鐘發(fā)生器的頻率應(yīng)大于振動(dòng)頻率的可能最大值。由圖4還可看出，在原一個(gè)脈沖信號(hào)的周期內(nèi)，取得了四個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。B通道正向脈沖mmnnnnnnnmi逆向脈沖!innnrLmmnnnn(b)困4四倍計(jì)數(shù)方式的波形和電路第五章.總結(jié)本課程設(shè)計(jì)的總結(jié)和展望在對(duì)這次課程設(shè)計(jì)的題目有了必然的了解后，查閱了相關(guān)的文獻(xiàn)和講義后，依照其運(yùn)動(dòng)范圍100mm和精度，初步確信了周密工作臺(tái)的光柵定位測(cè)量和操縱系統(tǒng)的整體方案。確信