精密工作台的光栅定位测量与控制系统设计

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1、精密工作台的光栅定位测量与控制系统设计姓名：学号：班级：09测控1班指导老师：陈本永、王丽敏26目录1国内外现状概述31.1概述31.2光栅检测现状42总体方案设计52.1方案构思52.2说明63测量系统设计63.1测量方案63.2光栅尺位移传感器73.3光电转换93.4信号细分电路124控制系统设计154.1控制方案154.2静态参数设计164.3动态特性分析164.4硬件电路的实现185测控电路215.1测控总体方案215.2测控电路216展望与总结237参考文献24261国内外现状概述1.1概述作为精密机械与精密仪器的关键技术之一一微位移技术，近年来随着微电子技术、宇航、生物工

2、程等学科的发展而迅速的发展起来。例如用金刚石车刀直接车削大型天文望远镜的抛物面反射镜时，要求加工出几何精度高于l/l0光波波长的表面，即几何形状误差小于0.5um。计算机外围设备中大容量磁鼓和磁盘的制造，为保证磁头与磁盘在工作过程中维持1um内的浮动气隙，就必须严格控制磁盘或磁鼓在高速回转下的跳动。特别是到20世纪70年代后期，微电子技术向大规模集成电路和超大规模集成电路方向发展，随着集成度的提高，线条越来越微细化。256K动态RAM线宽已缩小到1.25um左右，目前己小于0.1um，对与之相应的工艺设备(如图形发生器、分步重复照相机、光刻机、电子束和X射线曝光机及其检测设备等)提出

3、了更高的要求，要求这些设备的定位精度为线宽的1/3~1/5，即亚微米甚至纳米级的精度。随着数控技术在机床制造领域的普及，现代机床在加工速度，加工精度和可靠性方面都有了巨大的进步。作为数控机床核心技术之一的光栅测量技术对保障现代机床的各项性能指标起着决定性的作用。清楚了解现代光栅测量技术的发展趋势，正确选择适合自身需求的光栅测量系统对机床设计师和机床用户有着重要的意义。目前，光栅位移测量技术已经相当成熟，但随着现代工业技术的发展，对光栅位移测量的要求也会随之提高。为了满足更高的要求，光栅位移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。在长度量检测系统中，光栅测量系统占有明

4、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。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

5、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义。26光栅检测现状光栅数字测量系统是数显机床、数控机床和测量机的重要组成部分，是由光栅传感器和光栅倍频器（插补和数字化电子装置）组成。光栅传感器是作为位移测量元件，光栅倍频器是对光栅信号进行电子细分和数字化处理。光栅编码器是利用刻划在各种各样载体（如玻璃、玻璃陶瓷、固态钢或钢带）上的光栅作为测量标准，并通过光电扫描进行分度，编码器的精度和温度特性可以通过刻划和选择载体来优化。光栅编码器又分为直线编码器（光栅尺）和圆编码器，而圆编码器又分为旋转编码器（作为旋转轴的反馈部件）和角度编码器（作为转台的角度测量部件）。对

6、于编码器的结构又分为开启式的和封闭式的。它是以测量各个坐标的位移来实现对设备的数显和数控，因此测量系统的精度就决定了设备的精度。目前光栅数字测量系统的精度已有微米级、亚微米级和纳米级三个档次。光栅测量系统的长处是性能稳定、可靠性好、精度高、测量范围大、使用方便、价格适中，和其他测量系统相比有着明显的优势，在当今国际市场上光栅测量系统要占到80%以上。目前光栅测量系统的测量步距已达1nm，准确度达到±0.5um，测量长度己达30m，最大移动速度已达480m/min，最大加速度已达250m/s2，最大传输距离达150m。目前全世界能制造光栅测量系统的国家除我国外还有德国、日本、美国、英国

7、、西班牙、奥地利、意大利、俄国、韩国和印度等，估计年产量超过70万坐标，其中以德国HEIDENHAIN（海德汉）公司为最著名，半个世纪以来，其技术、品种、产量都绝对领先于其他国家。1999年HEIDENHAIN公司的雇员为4000人（其中研究开发人员约300人），销售额为5.5亿欧元，其各个品种的增长率分别为：开启式光栅尺+30%，封闭式光栅尺-3%，旋转编码器+5%，角度编码器-4%，长度规-3%，数显表DRO-18%，数控装置TNC+4%。我国在光栅方