精密工作台光栅定位测量与 控制系统 设计

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1、精密工作台光栅定位测量与控制系统设计摘要作为精密机械与精密仪器的关键技术之一的微位移技术，近年来随着微电子术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速地发展起来。而定位与测量技术的水平几乎左右着微位移技术的发展，因此直接影响到微电子技术等高精度工业的发展。本次毕业设计提出精密工作台光栅定位测量与控制系统的设计方案。设计了工作台的结构。以光栅莫尔条纹为基础，设计了工作台的光学系统，采用100线对/mm的光栅尺，即栅距为10um。对莫尔条纹的工作原理、光电转换技术和细分技术进行了分析。设计了相位跟踪细分法对莫

2、尔条纹进行1000细分。利用8253计数器对脉冲进行计数，通过RS232接口实现通讯，并由PID控制器进行实时控制。目前，精密定位测量技术已经相当成熟，但随着现代工业技术的发展，对精密定位测量的要求也会随之提高。为了满足更高的要求，精密定位测量技术不但要达到更高的分辨率，还要适应更复杂的工作环境。关键词:微位移;定位;测量;光栅;细分目录摘要Abstract第1章绪论.11.1研究的背景与意义.11.2国内外发展现状.21.2.1精密工作台.…21.2.2测量方法.…31.2.3控制方法.61.2

3、.4精密工作台光栅定位测量与控制系统.81.3毕业设计任务.10第2章总体方案设计.…112.1方案比较.…112.1.1开环控制系统.112.1.2闭环控制系统.…112.2总体方案.12第3章测量系统设计.143.1光栅测量系统..143.2光电转换.153.3细分设计.163.4计数及显示.22第4章控制系统设计.274.1PID控制器.27第5章总结与展望.31参考文献.32致谢.34第1章绪论1.1研究的背景与意义当前，制造业省人化、自动化趋势进展迅猛异常，而测量作业在此过程中是不可或缺

4、的关键环节，它与生产加工和制品运送同等重要。制造业对测量仪器的需求，在经过1998、1999年的低迷疲软之后，2000年后有了较明显的增长。当今世界，提高运营效率已成为制造业面临的重大课题，制造技术也随之掀起了不断革新的浪潮。在这种注重经营和技术创新的前提下，对测量仪器行业也提出了更高的要求，即量仪产品必须实现高速、高精度和系统化，而且必须与IT产业的发展相对应，同时应进一步加强质量管理[1]。测量技术是现代工业中的一个重要组成部分，它是进行生产活动的依据，它支撑着社会的技术进步，为众多领域的科学

5、探索活动提供试验和观测手段，为人类有序的生产活动提供必需的技术保障。测量技术已经成为工业生产设备、安全装置、社会技术保障体系、大型高速交通运载工具、医疗系统和国防工程的核心技术[2]。近代机械工业尤其是当代超精密加工技术、微/纳米技术、微机电系统等的兴起与发展对长度量的测量提出了越来越高的要求。近几十年来，随着激光技术在精密位移测量中的应用，长度量的工程测量技术有了飞速的发展[3]。在长度量检测系统中，光栅测量系统占有明显优势，有着广泛的市场前景。栅式测量系统是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外

6、的增量式测量结合起来，测量单位不是像激光一样的光波波长，而是通用的米制(或英制)标尺。光栅长度测量系统的分辨率已覆盖微米级、亚微米级和纳米级;测量速度从60m/min至480m/min。测量长度从1m、3m至30m和100m[4]。目前，超精加工己进入纳米技术领域，具有纳米级分辨率的测量技术是超精加工中不可缺少的一环，也是急待解决的关键技术之一。纳米级的测试技术在现代武器装备的制造中有着非常重要的作用。现代战争、工业技术对精密位移测量也提出了越来越高的要求。无论是对国民经济各部门还是军事领域等，纳

7、米测量都有着巨大意义。世界上许多科学家正在从事这方面的工作，也为此提出了许多测量原理和方法，纳米计划在欧洲、在美国、在日本都非常受到重视。1999年10月在中国召开的"面向21世纪计量测试理论与仪器"研讨会认为:纳米级测量已经成为当今测量领域的热点，在新的世纪要继续解决好纳米尺度的产生、标定及传递的理论和技术，制造出更新型的纳米精度的计量测试仪器[5]。在如此背景下，精密工作台光栅定位测量与控制系统设计也就这样应运而生，该研究能很好的满足超精密加工和超精密检测的要求，对现代工业技术的发展具有重要意

8、义。1.2国内外发展现状1.2.1精密工作台高精度和高分辨率的精密工作台系统在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极为重要的地位。它直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平。同时，它的各项技术指标是各国高技术发展水平的重要标志。精密工作台系统的定位精度和行程范围直接影响生产加工的精度。同时，工作台的速度、加速度及启停过程的稳定时间则影响设备的效率，成为系统的重要指标。这些一次定位的精密工作台系统可以按精度高低和行程大小分为两类:小行程、极高精度的工作