精密工作台的光栅定位测量系统设计

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1、课程设计说明书设计题目：精密工作台的光栅定位测量系统设计目录第一章．国内外现状概述………………………......3第二章．总体方案设计……………………………..7第三章．测量方法设计….………………………..10第四章．控制方法设计.…………………………..11第五章．总结……..………………………………..16第六章．参考文献……..…………………………..17第一章．国内外现状概述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

2、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。全闭环控制逐渐成为标准，由精密丝杠和编码器构成的半闭环控制系统对于机床热变形导致的加工误差无法进行补偿。在过去的十余年中，采用数学建模预测变形或通过实时测量温度变化来计算变形等尝试在技术上和经济性上都未能取得令人满意的结果。采用全闭环控制结构的机床，机床传动部件的热变形处于位置控制环之内，误差自动得到补偿。与半闭环系统不同，全闭环系统的补偿效果几乎不随机床工况，磨损状况及加工程序的不同而发生变化，机床可以长期保持初始加工精度。这对于机床生产厂家和用户来说，都意味着巨大的经济效益。绝对

3、式光栅正成为趋势，所谓绝对式光栅是相对于增量式光栅而言的，增量式光栅通过对光栅探头扫描过的栅线进行计数来获得相对运动的距离数据。为了获得绝对位置，增量式光栅在开机后须执行过参考点动作。绝对式光栅以不同宽度，不同间距的栅线将绝对位置数据以编码形式直接制作到光栅上，光栅开机后立刻可以提供绝对位置信息，无需执行过参考点动作。通常绝对式光栅在绝对轨之外还同时配备有增量轨，用以进一步提高光栅的精度与分辨率。当今世界，提高运营效率已成为整个制造行业面临的重大课题，因此，测控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

4、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。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。目前，光栅

5、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

6、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。我国在光栅方面的研究起步较晚，于1960年前后，并在光栅和圆光栅的制造、用方面取得了许多成果。但是，我们与当今世界上主要的光栅测量装置生产厂家相比（德国的OPTION、Heidenhain公司、日本的三丰、双叶、美国的B&L公司等）有一定的差距，主要表现在：制造精度比较低、批量程度差

7、、品种比较单一[1]。第二章．总体方案设计2.1方案的构思本次课程设计为精密工作台光栅定位测量与控制系统的设计，以计量光栅为基础，通过对莫尔条纹的工作原理、光电转换技术和电子细分技术进行分析，设计精密工作台的光栅定位测量系统。实现精密工作台机构的方案比较多，用途也很广泛，根据不同的要求，采取不同的方案，应以满足使用要求而又经济合理为准则。但作为精度补偿用的精密工作台，因它的精度要求比较高，一般都在亚微米级以上，所以设计时满足使用要求外，还应具有良好的静态特性和动态特性[2]。作为理想精密微动工作台，应满足下列要求：