一种变距计量光栅刻划的分度定位控制系统分析

《一种变距计量光栅刻划的分度定位控制系统分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第一章绪论1．1光栅的研究与应用光栅是在表面上按一定规律分布有线、缝、槽或光学性质变化物质构成的一种光学元件。广泛地应用于科研和生产．尤其是在光谱学．光电位移测量、光通信、光信息处理以及集成光学等许多领域都有着十分重要的应用。光栅的研宄可追溯到1786年．由美国天文学家李敦豪斯(DRittenhouse)通过丝质手帕观察到衍射现象，并用平行的细金属丝制成衍射光栅和第一次做了光栅实验，成为了光栅的起源。1823年，夫琅和费(Fraunhufer)在敷于平板玻璃表面的金箔上刻槽，通过光栅衍射实验证实了光的波动原理，井提出了平面光栅原理，推导出了光栅的方程，为光栅的研究

2、奠定了基础。光栅经过二百多年的发展，已经形成了很多的种类，计量光栅便是其中按光栅的用途分类所划分出的一种。计量光栅的发现及其在计量测试中的应用源于一百多年前法国人发现的一种现象：当两层薄丝绸被重叠在一起时将产生复杂的水波纹状图案，当丝绸问相对挪动，则图案也随之移动。这种图案即被称之为莫尔(法语MoOr6)或莫尔条纹，该现象证明了任何具有一定排列规律的几何簇图案重台，均可以形成按新规律分布的莫尔条纹图案。1874年．瑞利(L¨Ray]eigh)首次将莫尔图案作为一种测试手段，即根据条纹的结构形状来评价光栅尺线纹间的间隙均匀性．从而开拓了莫尔计量学。20世纪50年代以

3、后，光栅在计量删试及数控等领域得到实际应用，井将这一飞速发展起来的光栅技术称为计量光栅技术，应用于该技术的光栅元件称为计量光栅，以表示与应用在其它领域中的光栅技术相区别。计量光栅大多使用黑自相间的振幅光栅．有时也使用相位光栅“1。振幅光栅依其刻线结构及排列方式，分为长光栅和圆光栅，长光栅也称为光栅尺，圆光栅又称为光栅盘。光栅上刻有规则排列且有规则形状的刻线．刻线有透光和不透光相问、或反射光和不反射光相间。光栅刻线也称为栅线，栅线问的距离叫做栅距，亦称为光栅节距或光栅常数。光栅基于莫尔条纹的测量原理为：一对光栅副中的光栅刻线面相对选合，两光栅的栅距相等，缝宽和线宽也

4、相等，井使两块光栅的栅线形成一个微小的夹角。其中的一块光栅作为测量基础用，称为主光栅；另一块则称为指示光栅。当两块光栅中的任一光栅产生沿垂直于栅线方向的相对运动时．莫尔条纹便沿着与栅线近似相同的方向相应地移过一个条纹间距。在实际光栅式测量系统中．一对光栅副中的一块光栅固定不动．另一块光栅随测量工作台一起运动，则测量工作台每移过一个轴距．光电元件就发出一个信号，计数器便记取一个数。如此。根据光电元件发出的或计数器记取的信号数．便可得知动光栅移过的栅距数，也即测得了测量工作台移过的位移量。今天，莫尔条纹技术己广泛地应用于许多领域，如机床、计量测试、航空航天航海、科研教

5、育以及国防等各行业部门。主要应用范围包括了位移测量(长度投角度)、数字跟踪控制、运动比较(两相关运动部件间的关系)、形貌测量(轮廓、造型设计、工业零部件及产品检测)以及莫尔偏析法(测量焦距、折射率、温度梯度、溶液浓度)等。并由此产生出各式各样的光栅式计量测试仪器、设备及系统等。目前，国际上工业发达国家研究和生产计量光栅、光电位移计量测试仪器主要包括德国的Hejdenhain公司、Opten公司，美国的Itek公司、B&L公司，日本的Nikon公司、canon公司及Mitutoyo公司．英国的I}enishaw公司以及瑞士和俄罗斯等国家的研宄机构和生产厂家，其研宄技

6、术和相关产品指标在一定程度上代表着当今世界水平。其中日本Canon公司采用半导体激光作光源，体积仅为≯36x48mm的旋转传感器，其每圈可输出8．1万个脉冲：Nikon公司开发了M系列可输出3600万个脉冲的传感器，并研制出了每圈可输出1296万个脉冲．并且分辨率达到0l”的ZHR型光电轴角编码器：Mitutoyo公司的光栅尺测量准确度达到±05um，分辨率达到0．1tim。德国HeidenhMn公司于1997年即研制出了分辨率为0．01”、测角精度达到0036”的27位增量式轴角编码器；直线光栅尺的测量准确度达到±0lum、测量步距最小达到了1hill。英国Re

7、nishaw公司RELA光栅尺在lM测量范围内的测量精度可达lum等。国内对于光电位移测量技术和计量光栅及计量光栅测试仪器的研究与制造起步较晚．经历了起步、发展和提高三个阶段。1964年．中国科学院长春光机所研制出我国第一块圃光栅和编码盘，井成功地应用在光电经纬仅上．实现了数字化的角度测量。其后，包括中科院长春光机所、成都光电所、西安光机所、南京天文仪器厂、航空303所等研究院所，浙江丈学、清华大学、哈工大、重庆大学、长春光机学院、上海机械学院等高等院校．上海光学仪器厂、新添光学仪器厂、昆明机床厂、北方光学仪器厂以及哈尔滨量具刀具厂等．都相继开展了光栅莫尔条纹理论

8、研究、光栅