精密工作臺的光柵定位測量與控制系統(tǒng)設計

精密工作臺的光柵定位測量與控制系統(tǒng)設計精密工作臺的光柵定位測量與控制系統(tǒng)設計 姓名 學號 班級 09 測控 1 班 指導老師 陳本永 王麗敏 2 目錄目錄 1 國內外現狀概述國內外現狀概述 3 1 1概述 3 1 2光柵檢測現狀 4 2 總體方案設計總體方案設計 5 2 1方案構思 5 2 2說明 6 3 測量系統(tǒng)設計測量系統(tǒng)設計 6 3 1測量方案 6 3 2光柵尺位移傳感器 7 3 3光電轉換 9 3 4信號細分電路 12 4 控制系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)設計 15 4 1控制方案 15 4 2靜態(tài)參數設計 16 4 3動態(tài)特性分析 16 4 4硬件電路的實現 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 展望與總結展望與總結 23 7 參考文獻參考文獻 24 3 1 國內外現狀概述國內外現狀概述 1 1概述概述 作為精密機械與精密儀器的關鍵技術之一一微位移技術 近年來隨著微電子技術 宇航 生物 工程等學科的發(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 計算機外圍設備 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 內的浮動氣隙 就必須嚴 格控制磁盤或磁鼓在高速回轉下的跳動 特別是到 20 世紀 70 年代后期 微電子技術向大規(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 對與之相應的工藝設備 如圖形發(fā)生器 分步重復照 相機 光刻機 電子束和 X 射線曝光機及其檢測設備等 提出了更高的要求 要求這些設備的定位 精度為線寬的 1 3 1 5 即亞微米甚至納米級的精度 隨著數控技術在機床制造領域的普及 現代機床在加工速度 加工精度和可靠性方面都有了巨 大的進步 作為數控機床核心技術之一的光柵測量技術對保障現代機床的各項性能指標起著決定性 的作用 清楚了解現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 目前 光柵位移測量技術已經相當成熟 但隨著現代工業(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 有著廣泛的市場前景 柵式測 量系統(tǒng)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 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 世紀計量測試理論與儀器 研討會認為 納米級測量已經成為當今測量 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要求 對現代工業(yè)技術的發(fā)展具有重要意義 4 1 2光柵檢測現狀光柵檢測現狀 光柵數字測量系統(tǒng)是數顯機床 數控機床和測量機的重要組成部分 是由光柵傳感器和光柵 倍頻器 插補和數字化電子裝置 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 信號進行電子細分和數字化處理 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 測量標準 并通過光電掃描進行分度 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編碼器 作為旋轉 軸的反饋部件 和角度編碼器 作為轉臺的角度測量部件 對于編碼器的結構又分為開啟式的和 封閉式的 它是以測量各個坐標的位移來實現對設備的數顯和數控 因此測量系統(tǒng)的精度就決定了 設備的精度 目前光柵數字測量系統(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 1nm 準確度達到 0 5um 測量長度己達 30m 最大移動 速度已達 480m min 最大加速度已達 250m s2 最大傳輸距離達 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 估計年產量超過 70 萬坐標 其中以德國 HEIDENHAIN 海德 漢 公司為最著名 半個世紀以來 其技術 品種 產量都絕對領先于其他國家 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 旋轉編碼器 5 角度編碼器 4 長度規(guī) 3 數顯表 DRO 18 數控裝置 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廠家相比 如德國的 OPTION HEIDENHAIN 公司 日本的三豐 雙葉 美國的 BEQU 標號賦值偽指令 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 轉移 中斷程序 WAIT JB SP1 WAIT SP 為 1 轉移 LCALL DELY10MS 調用顯示子程序 JB SP1 WAIT INC Count Count 加 1 MOV A Count CJNE A 100 NEXT 累加器與立即數不等轉移 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 微機給定一個初始位移信號 初始信號經過單片機轉化成電信號 電信號中可能有其他噪 聲 垃圾信號的干擾 經過濾波電路后去除不必要的信號 由于信號比較小 為了方便直流電機的 讀取 在直流電機前添加放大電路 放大后的信號驅動直流電機轉動 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化為電信號 由于精度的要求 需要將此脈沖信號進行細分 達到更高 的精度 電信號通過一個電阻鏈 5 倍頻細分電路 輸出兩路相位差為 90 度的方波信號 剛好滿足 4 細分電路的輸入要求 電信號經單穩(wěn) 4 細分電路進一步細分 細分后的信號由 1 個 16 位的計數 器接收 計數器上顯示此時的位移量 信號反饋回單片機 單片機將此時的位移量與初始位移進行 比較 將比較后的差值再次送入直流電機 進行更進一步的校正 測控系統(tǒng)總體方案框圖見圖 5 1 單片機放大電路伺服電機 光電轉換光柵傳感器辨向細分電路計數器 PC 機工作臺 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 光電轉換電路 電阻鏈五倍頻細分電路 單穩(wěn)四細分 辨向電路 單片機脈沖計數與顯示電路 步進電機驅動電路 光電轉換電路 采用兩個兩光電推挽式接收電路及一個 180 度移相電路 電阻鏈五倍頻細分電路 實現對正余弦模擬信號的細分 輸出為相位差為 90 度的方波信號 由電阻移相網絡 比較器 邏輯電路組成 可與 4 細分電路級聯 單穩(wěn)四細分辨向電路 利用單穩(wěn)提取兩路方波信號的邊沿實現四細分 輸出可直接送入計數器 22 單片機脈沖計數與顯示電路 由兩個共陰數碼管 51 單片機 復位電路 晶振電路組成 23 圖 5 2 測控電路 24 6 展望與總結展望與總結 作為大學即將結束時的最后一次課程設計 這次課程設計有著很重要的意義 它不僅為即將到 來的畢業(yè)設計奠定了基礎 更是對大學所學知識的一次總結 這次課程設計涵蓋了數字電路 模擬 電路 測控電路 傳感器 控制工程基礎 單片機 精密儀器設計等學科 其中電路圖的繪制還涉 及到了 Protel 的使用 首先 這次課程設計是對自己所學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)的設計 實現了各科知識的串聯與交匯 電路方面涉及到了光電轉換電路 差分放大電路 移相電路 單穩(wěn)四細分辨向電路 電阻鏈 5 倍頻細分電路等 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) 單片機方面涉及到了單片機脈沖計數器 步進電 機的驅動等 總之 通過這次課程設計 對于掌握機 光 電 算技術結合的儀器總體設計有關基 礎理論知識有很大的幫助 其次 對于這次課程設計本身所研究的課題有了比較基礎的了解 光柵定位測量與控制系統(tǒng)的 大致思路是 單片機驅動步進電機運動 步進電機帶動工作臺移動 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了位移信號向電信號的轉換 電信 號經過細分電路達到系統(tǒng)所要求的精度 細分后的信號由計數器計數并顯示 信號反饋回單片機 單片機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 在這次課程設計中 參考了一些中外文資料 這對于擴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 還是學到了一些知識 比如單光柵測量位移 利 用壓電陶瓷微動機構實現對精密工作工作臺的校正等 最后 這次課程設計是畢業(yè)設計的前奏 本次課程設計為畢業(yè)設計的開展做了很好的引導和鋪 墊 一些典型的問題處理起來將會更加得心應手 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 如果說這次課程設計是對自己大學學習的一次小 總結 那么畢業(yè)設計就是對大學各科知識的一次更深入的關聯 25 7 參考文獻參考文獻 1 李慶祥 王東生 李玉和 現代精密儀器設計 M 清華大學出版社 2004 2 張國雄 測控電路 M 機械工業(yè)出版社 2011 3 童詩白 華成英 模擬電子技術基礎 M 高等教育出版社 2006 4 閻石 數字電子技術基礎 M 高等教育出版社 2004 5 史敬灼 步進電動機伺服控制技術 M 科學出版社 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 2008 7 147 152 7 蘇大圖 光學測試技術 M 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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 J 計量測試與檢定 2010 20 5 10 13 28 張善鐘 測量光柵技術 M 北京 機械工業(yè)出版社 1985 29 祝紹箕 黃宣邵 曹向群 光柵數字顯示技術及應用 M 北京 機械工業(yè)出版社 1992 30 盧國鋼 現代光柵測量技術 J 世界制造技術與裝備 2002 5 10 13 31 馬修水 費葉泰 陳曉懷等 一種新型納米光柵傳感器的理論研究 J 儀器儀表學報 2006 2 159 164 32 楚興春 納米光柵干涉位移測量關鍵技術的研究 D 國防科技大學儀器科學與技術研究生論 文 2005 33 歐陽航空 陸林海 基于 DSP 的光柵莫爾條紋信號辨向與細分電路研究 J 制造業(yè)自動化 2005 27 5 5 7 34 劉保錄 提高計量光柵尺分辨率的幾種細分方法 J 蘭州工業(yè)高等?？茖W校學報 1995 2 45 49 35 閆麗 段發(fā)階 方志強 基于 EPM7128 的光柵位移傳感器信號細分電路模塊的設計 J 計量 與測試技術 2005 32 3 5 8 36 左勝廣 馮進良 張桂源 張榮 張堯禹 基于 DSP 信號處理的變柵距光柵位移測量系統(tǒng)設 計 J 長春理工大學學報 34 2 12 15 37 劉正坤 變柵距光柵位移傳感器的若干問題 D 中國科學技術大學博士學位論文 2009 38 黃向慧 基于高速單片機控制的位移測量系統(tǒng)設計 J 工況自動化 2006 4 44 46 39 李樹秋 鄭萬波 楊勇健 單片機 160 細分的原理和實現 J 儀器儀表學報 2005 26 8 566 580 40 節(jié)德剛 劉延杰 孫立寧 陳智超 蔡鶴皋 基于雙光柵尺的高速高精度位移測量方法 J 光學精密工程 2007 15 7 1077 1083 41 金建新 輸出正交正弦波的光柵尺在位移測量中的脈沖細分原理 J 自動化儀表 2002 23 1 17 19 42 WALKER C A Historical review of Moire interferometry J Experimental Mechanics 1994 34 4 281 299 27 43 WANG F QI X D Grating heterodyne 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