精密工作台的光栅位移测量和控制系统

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1、精密工作台的光栅定位测量和控制系统的设计目录1国内外现状…………………………………………......11.1光栅检测的历史……………………………………………11.2当今采用的原理和产品…………………………………....22系统总体方案设计……………………………………..32.1方案构思……………………………………………………32.2运动范围和精度的实现……………………………………43测量系统设计…………………………………………..73.1测量方案……………………………………………………73.2光栅传感器…………………………………………………73.3信号的辨向细分………

2、……………………………………94控制系统设计………………………………………….134.1控制系统总体方案………………………………………...134.2执行元件…………………………………………………...144.3控制装置…………………………………………………...145测控电路………………………………………………..166展望和总结……………………………………………..187参考文献………………………………………………..201.国内外现状1.1光栅检测的历史从上个世纪50年代到70年代栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和球栅，这5种测量系统都是将一个栅距

3、周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合了起来，测量单位不是像激光一样的是光波波长，而是通用的米制(或英制)标尺。它们有各自的优势，相互补充，在竞争中都得到了发展。由于光栅测量系统的综合技术性能优于其他4种，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80%，光栅长度测量系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级测量速度从60m／min到480m／min，测量长度从1m、3m达到30m和100m。1.米凤文戴旭涵沈亦兵杨国光0.1um大行程精密定位控制系统的研究浙江大学现代光

4、学仪器国家重点实验室计量光栅技术的基础是莫尔条纹(Moirefringes)，1874年由英国物理学家L．Rayleigh首先提出这种图案的工程价值，直到20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。1950年德Heidenhain首创DIADUR复制工艺，也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受，进入商品市场。1953年英国Ferranti公司提出了一个4相信号系统，可以在一个莫尔条纹周期实现4倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是4倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基础，并一直广泛应用至今。德国

5、Heidenhain公司1961年开始开发光栅尺和圆栅编码器，并制造出栅距为4um(250线／mm)的光栅尺和10000线／转的圆光栅测量系统，能实现1微米和1角秒的测量分辨力。1966年制造出了栅距为201um(50线／am)的封闭式直线光栅编码器。在80年代又推出AU．RODUR工艺，是在钢基材料上制作高反射率的金属线纹反射光栅。并在光栅一个参考标记(零位)的基础上增加了距离编码。在1987年又提出一种新的干涉原理，采用衍射光栅实现纳米级的测量，并允许较宽松的安装：1997年推出用于绝对编码器的EnDat双向串行快速连续接口，使绝对编码器和增量编码器一样很方便的应

6、用于测量系统。现在光栅测量系统已十分完善，应用的领域很广泛，全世界光栅直线传感器的年产量在60万件左右，其中封闭式光栅尺约占85％，开启式光栅尺约占15％。在Heidenhain公司的产品销售额中大约直线光栅编码器占40％，圆光栅编码器占30％，数显、数控及倍频器占30％。Heidenhain公司总部的年销售额约为7亿欧元(不含Heidenhain跨国公司所属的40家企业)。国外企业的人均产值在10～15万美元左右，研究开发人员约占雇员的10％，产品研发经费约占销售额的15％。[1]卢国刚现代光栅测试技术中国自动化研究所研究员我国在光栅方面的研究起步较晚，于1960年

7、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、品种比较单一。[1]孙亮精密工作台光栅定位测量与控制系统的设计中国计量学院此外,目前发达国家在数控技术方面均投人大量的人力物力,研究和开发了一系列新一代的数控设备。例如，德国的SIEMENS公司、日本的FUNAC公司等等。虽然我国数年来也不断对数控技术进行发展，但是出于种种原因，直到今天我国数控领域依然处于比较