2022年2022年精密工作台的光栅定位测量与控制系统设计 .pdf

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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、王丽敏名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 26 页 -2 目录1 国内外现状概述.3 1.1 概述.3 1.2 光栅检测现状.4 2 总体方案设计.5 2.1 方案构思.5 2.2 说明.6 3 测量系统设计.6 3.1 测量方案.6 3.2 光栅尺位移传感器.7 3.3 光电转换.9 3.4 信号细分电路.12 4 控制系统设计.15 4.1 控制方案.15 4.2 静态参数设计.16 4.3 动态特性分析.16 4.4 硬件电路的实现.18 5 测控电路.21 5.1 测控

2、总体方案.21 5.2 测控电路.21 6 展望与总结.23 7 参考文献.24 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 26 页 -3 1 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0.5u m。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 7

3、0 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)提出了更高的要求，要求这些设备的定位精度为线宽的 1/31/5，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

4、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60mmin 至 480m min。测量长度从1m、3m 至 30m 和 100m。1999

5、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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 26 页 -4 1.2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

6、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

7、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、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

8、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%。我国在光栅方面的研究起步较晚，始于1960 年前后，并在光栅和圆光栅的制造、应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，（如德国的OPTION、HEIDENHAIN公司、日本的三丰、双叶、美国的B&L 公司等）还有一定的差距，主要表现在：制造精度比较低、批量程度差、品种比较单一。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

9、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落后的局面，我们必须对数控技术不断加以研究和探索，使整个现代工业加工的基础领域能有较大的发展，从而使工业经济得到发展。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 26 页 -5 2 总体方案设计2.1方案构思图 2-1 总体方案框图本系统的总体思路：直流电机接到测控电路的脉冲信号和方向信号，并按直流电机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通和截止信号。因此，直流电机转速的高低、顺转或逆转、升速或降速、启动或停止都完

10、全取决于脉冲的有无、方向或频率。直流电机的转动带动工作台进行相应的直线位移。通过光栅位移传感器测量当前工作台的实际位移，再把测量到的实际位移反馈到控制电路。控制电路把实际位移与给定位移进行比较，通过实际位移与给定位移的偏差实现对工作台的位置进行控制。测控电路把输出通过脉冲信号传到直流电机驱动器。从而实现对工作台的校正。系统总体方案框图见图2-1。在测试技术中，传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，它担负着感受和传输信号的重要任务。传感器的类型是多种多样的，其优缺点也是各有侧重。这里采用较高的系统定位精度(0.1um)，故选择光栅位移检测系统。光栅经接收元件后变为周期性变化的电信号，采用逻辑

11、辨向电路区别位移的正反向，利用单片机进行数据处理并显示结果。软件采用汇编语言实现。本系统采用直流电机作为执行元件，直线电动机的自身质量小，产生的推力由于直接作用在移动物体上，故可得到高效率的驱动特性。由于直线电动机驱动机构仅由两个互不接触部件组成，没有低效率的中间传动部件，也无机械滞后以及螺距误差，从而可达到高的效率，且其精度完全取决于反馈系统和轴承。当用全数字伺服系统驱动直线电动机时，可达到高刚度和高固有频率，从而达到极好的伺服性能。单片机系统放大器直线电机光栅尺位移传感器脉冲处理工作台名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 26 页 -6 2.2说明本次课程设计选择的

12、是250 线对/mm 光栅，其栅距为4um,利用镜像式二倍频读数系统进行读数，再经过一个5 倍频信号和4 细分电路的细分电路，从而达到对信号的40 细分，实现0.1m 的精度。计数器选择74LS192 计数器，经细分后的信号以0.1为一次计数，经译码后在LED 七段显示器上显示，反馈量返回单片机，单片机控制工作台启停。完全达到一维运动范围为100mm，分辨率为 0.1um 的设计目标。3 测量系统设计3.1测量方案图 3-1 测量方案框图莫尔条纹测量位移的核心部件是光栅副，即标尺光栅和指示光栅。我们把两光栅重叠在一起并使两栅线之间有一个很小的夹角，就形成莫尔条纹。其中一块光栅附着在移动的物体上

13、，称之为标尺光栅。另一块与光电接收器件装在一起，称之为指示光栅。如果光栅栅线是平行直条纹，莫尔条纹则是平行直线族。当叠合交角很小时，莫尔条纹与光栅栅线几乎垂直，这种莫尔条纹称之为长光栅莫尔条纹。当标尺光栅沿垂直于刻线方向移动，指示光栅固定不变时，莫尔条纹就沿着近似于垂直于光栅运动方向的方向运动。光栅移过一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔。当光栅反向移动时，莫尔条纹也随之反向运动。两者的关系是相对的。我们可以通过测量莫尔条纹的位移来获取标尺光栅的位移量和移动方向。莫尔条纹具有位移放大作用，条纹间距B 与光栅栅距d 之间有关系式 B=d/，因为 很小，所以放大倍数K=B/d 很高，莫尔条纹的光学特

14、性为实现位移量的高灵敏度、高精度检测奠定了基础。横向莫尔条纹光场的亮度分布符合正弦规律，用光电器件接收莫尔条纹光场亮度信号时，输出的电信号波形也符合正弦规律。在1 个条纹间距内可以排列多个光电器件，这样可以提取多相正弦信号。标尺光栅运动方向不同，所取得的多相正弦信号的时序相反。本课程设计采用4 相光电池同时接收同一周期内的莫尔条纹位移信息，将4 相光电池附于固定信号光栅传感器光电转换辨向细分电路可逆计数器单片机名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 26 页 -7 的指示光栅上，使其刚好占满1 个莫尔条纹宽度，则取得的4 相正弦信号U1、U2、U3、U4 相位互差90o。

15、标尺光栅正向移动与反向移动取得的信号的相位关系是相反的，可以根据4 相正弦信号的时序来判断位移的方向。由 4 个光电器件获得的4 相正弦信号分别送到2 只差分放大器输入端，从差分放大器输出的2路信号其相位差为/2。信号经差分放大后进入电阻链五倍频细分电路和单稳四细分辨向电路进行细分。经细分后的信号通过计数器，实现位移的测量。3.2光栅位移传感器图 3-2 光栅位移传感器1光源；2透镜；3指示光栅；4光敏元件；5驱动线路光栅位移传感器是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。如图3-2 所 示，光源1 发出的光经

16、透镜 2 变成平行光束，照明标尺光栅和指示光栅3，形成莫尔条纹，被光电元件4 接收，转变成电信号。1.光栅副莫尔条纹的产生光栅测量是利用标尺光栅与指示光栅迭合时所形成的莫尔条纹及其变化来实现的。两块长光栅（图 3-3）迭合，如果栅线间夹角为，则光栅组透光部分呈菱形，综合效果是一组等间距亮带，即形成了莫尔条纹（如图3-4）。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 26 页 -8 图 3-3 长光栅结构图 3-4 莫尔条纹的形成振幅光栅测量位移的原理设被测对象a b 长度为 x，则x=a b=1+2+N=N +（3-1）式中：光栅栅距；N a，b 间包含的光栅栅线对数；1、2

17、 被测距离两端对应光栅上小于一个栅距的小数。如将光栅栅距进行细分，分成n 等份，n 为系统的细分数，则光栅系统的分辨率为=/n，则x=M（3-2）式中：M=N n+m 以细分分辨率为单位总计数值，m=0，1，2图 3-5 长光栅莫尔条纹简图长光栅莫尔条纹简图如图3-5 所示，取标尺光栅的0 号栅线为y 轴，x 轴垂直于标尺光栅的诸刻线，指示光栅的0 号栅线通过坐标原点，其夹角为，则两刻线的交点连线代表了莫尔条纹的中心线。标尺光栅与指示光栅的栅距分别为1、2。当 1=2=，0 时，得到的莫尔条纹称为横向莫尔条纹，此时莫尔条纹间隔B 与两相邻莫名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8

18、页，共 26 页 -9 尔条纹在y 轴上的距离By相等，即B=By。当 1=2=，=0 时，莫尔条纹随标尺光栅移动而明暗交替变化，此时指示光栅相当于光闸的作用，称为光闸莫尔条纹。当 12，=0 时，形成纵向莫尔条纹。2.光栅读数头光栅读 数头由光源、会聚透镜、光栅、光电元件及调整机构等组成。光栅读数头结构形式很多，根据读数头结构特点和使用场合分为直读式读数头、镜像式读数头、分光式读数头、调相式读数头。本次课程设计采用镜像式二倍频读数系统。镜像式 读数系统是利用主光栅和它的镜像产生莫尔条纹信号。其优点是可获得无间隙的莫尔条纹信号，无指示光栅；可获得倍频信号输出，提高了灵敏度。二倍频读数系统如图3

19、-6 所示。光源S发出的光经透镜L1 变为平行光照明主光栅G，经透镜L2 反射镜 M使主光栅的镜像成在主光栅上，形成光闸莫尔条纹，再经透镜L1 和析光镜M d，被光电元件接受后产生光电信号。该系统的光电信号的频率增加一倍，故其灵敏度也提高一倍。图 3-6 镜像式二倍频读数系统3.3光电转换常用的光电元件有硅光电池、光电二极管和光电三级管。硅光电池的优点是受光面积大、光能利用率高、频率响应较高（10-5s）,使用时不需要加偏压，结构紧凑。常用是的四象限硅光电池，便于细分和消除直流成分。其缺点是输出电压（电流）灵敏度较低。光电二极管是光生伏打型元件，它的线性良好，灵敏度与硅光电池接近，频率响应比硅

20、光电池高（10-6s）,常用型号为2CU；光电三极管有放大作用，灵敏度高，但稳定性与频率响应比光电二极管差，常用的型号为3DU，受光面积为1mm2-2mm2。本课程设计采用光电二极管作为光电元件。光电转换电路采用两光电二极管推挽式电路。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 26 页 -10 图 3-7 常规电路图 3-8 改进电路上图为单光电二极管光电转换电路。图3-7 是常规的光电转换电路，图3-8 是改进后的光电转换电路。区别在于右图加入了两个电容器C1和 C2。优点在于 C1可以减少带宽，C2 可以减少电路中的噪声。参照改进后的单光电二级管光电转换电路，可以设计出

21、两光电二极管推挽式电路（图3-9）。本课程设计采用4 相光电二极管同时接收同一周期的莫尔条纹位移信息，获得相位互差1/4 周期的一组 4 相光电信号。设获得的4 相正弦信号为U1、U2、U3、U4，将 4 相正弦信号分别送到两个差分放大器的输入端，可以获得相位差为90 度的 2 路正弦信号。差分放大电路对共模信号的抑制能力很强，用在光电信号采集系统中能够很好地减少器件暗电流和外界环境温度变化给电路带来的影响和误差。图 3-9 两光电二极管推挽式电路如图 3-9 所示用两个光电二极管组成的电路，当主刻度尺移动时，光电二极管PD1中产生的光电流 Is1为名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理

22、-第 10 页，共 26 页 -11 Is1=2sin+bA（3-3）光电二极管PD2 同时产生的光电流Is2为Is2=2sin-bA（3-4）将两电信号送入差动式放大器，放大后电压信号Ui1为Ui1=f2-2A sinxR（3-5）由 PD3、PD4 组成另一个推挽式接收电路，同理，可得到Ui2。由推挽式接收电路得到两路相位差为90 度的正弦信号：Ui1=-Esint，Ui2=Ecost。将 Ui1通过一移相电路，进行180 度移相，得到Ui3=Ecos t。Ui1、Ui2、Ui3满足电阻链五倍频细分电路的输入要求。图 3-10 180 度到 270 度移相电路图 3-10 是 180 度到

23、 270 度移相电路。输入信号放到反相输入端，移相网络放到反相的输入和反馈环节。调节可变电阻R3，可实现180 度到 270 度移相。图 3-11 是含推挽式接收电路以及移相电路的光电转换电路，光电转换电路最后将莫尔条纹信号转换为 Ui1、Ui2、Ui3三路正弦信号。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 26 页 -12 图 3-11 光电转换电路3.4信号细分电路光电转换电路最后将莫尔条纹信号转换为Ui1、Ui2、Ui3三路正弦信号，刚好满足电阻链五倍频细分电路的输入要求，电阻链五被频细分电路输出两路相位差为90 度的方波信号，该五倍频信号正好满足单稳四细分辨向电路

24、对输入信号的要求，与之级联可实现20 细分和辨向。1.电阻链 5 被频细分电路电阻链分相细分主要实现对正、余弦模拟信号的细分。其工作原理是：将正、余弦信号施加在电阻链两端，在电阻链的节点上可得到副值和相位各不相同的电信号。这些信号经整形、脉冲形成后，就能在正、余弦信号的一个周期内获得若干计数脉冲，实现细分。如图 3-12 所示，整个电阻链5 倍频细分电路由电阻移相网络、比较器和逻辑电路三大部分组成。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 26 页 -13 图 3-12 电阻链 5 被频细分电路电阻移相网络：在第一、第二象限内给出的移相角分别为0、18、162的 10 路

25、移相信号，移相电阻的实际取值分别是18k、24k、33k和 56k四种。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 26 页 -14 电压比较器：将10 路移相信号与参考电压Ur 相比较，将正弦信号转化为方波信号。电压比较器一般结成施密特出发电路的形式。逻辑电路：从比较器得到的10 路方波信号经过异或门逻辑组合电路，获得两路相位差为90的五倍频方波信号。经过电阻链五倍频细分电路的电信号，并不能满足本课程设计分辨率的要求，还需要经过单稳四细分辨向电路进行进一步细分。2.单稳四细分辩向电路图 3-13 单稳四细分辨向电路图 3-13 所示为单稳四细分辨向电路。它是利用单稳提取两

26、路方波信号（A、B）的边沿实现四细分。A 和 B 是两路相位差为90 度的方波信号，传感器正向移动时，设A 导前 B，其细分波形图如图 3-14a，传感器反向移动式，其细分波形图如图3-14b。输出信号Uo1、Uo2 可直接送入标准系列可逆计数集成电路，实现辨向计数。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 26 页 -15 a)正向移动b)反向移动图 3-14 单稳四细分辨向电路波形图4 控制系统设计4.1控制方案作为一个控制系统，有开环和闭环两种控制方式，开环来说，一般结构比较简单，比较容易实现，但控制精度较低。而闭环控制系统由于对执行情况进行实时检测，并将信息及时反

27、馈到控制端参与控制，因此中间环节与外界扰动影响比较小，精度相对要高得多。闭环伺服系统按指令和反馈方式比较方式的不同，大致可分为脉冲比较闭环系统，幅值比较系统和相位比较系统。本课程设计采用脉冲比较闭环系统(如图 4-1)。图 4-1 脉冲比较闭环系统系统的工作原理：当指令脉冲和反馈脉冲都为零时，加、减计数器为全零状态，伺服放大器没有输出，工作台不计数器数字模拟转换功率放大伺服电机工作台光栅检测指令脉冲名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 26 页 -16 动。当一个正向的指令脉冲来到时，计数器开始计数，经数字模拟变换器，将有一个单位的正电压输出，经伺服放大器放大，驱动伺

28、服马达带动工作台向正方向移动，直至位置检测装置发出一个脉冲，输入比较环节中作减法计算，使计数器回到零状态，工作台即停止运动。这时，工作台相当于在正方向移动了1 个脉冲当量的距离。当输入1 个反方向的指令脉冲，数字模拟变换器则输出1 个单位电压，但电压极性为负，经伺服放大器放大驱动伺服马达带动工作台反向移动，直到位置测量装置发生1 个脉冲，输入比较环节作加法计算，使计数器回到全零状态，工作台即停止运动。这时，工作台反方向移动了1 个脉冲当量的距离。如果连续不断地输入正方向的指令脉冲，则使工作台沿正方向连续移动，当停止输入指令脉冲时，工作台也将停止移动。4.2静态参数设计测量元件：测出工作台的实际

29、位移量后变换为相应的脉冲数。本次课程设计采用行程为100mm，分辨率为0.1um 的光栅尺位移传感器。比较元件：用来接收输入信号与反馈信号进行比较，产生反映两者差值的偏差信号。本次课程设计采用74LS192 十进制可逆计数器对指令脉冲和反馈脉冲进行比较，计数器中的数为指令脉冲与反馈脉冲之差。计数器还应能区别出误差的正负。变换元件：本次课程设计采用数字模拟变换信号将比较环节中的数变换成与数值成正比的电压或电流量，输出电压或电流的极性应能反映误差的方向。放大元件：功率放大器驱动元件：本次课程设计采用步进电机作为伺服电机。4.3动态特性分析爬行相象爬行是当导轨在低速运动时出现速度不均匀现象。通常是在

30、电机接受低速运转指令作匀速转动时，带动丝杆也随者作等速转动，而此时工作台却出现一快一慢或一停一跳的爬行现象。爬行现象不仅影响工作台稳定移动，同时也影响工作台的定位精度，因此，必须采取措施予以消除。每一个爬行周期都分两个阶段：一个是能量的贮存，另一个是能量达到临界值时的立即释放。爬行是机床滑动导轨中常见的不正常的运动状态。程度较轻时爬行表现为肉眼所不能察觉的振动，显著时表现为较大距离的跳动。爬行会显著降低工件的加工精度。爬行大多在低速时出现。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 26 页 -17 爬行的力学模型图 4-2 爬行现象的力学模型(a)直线运动传动系统的力学模

31、型；（b）爬行现象力学模型引起爬行的原因如法向载荷过大，滑动系统弹性元件刚度较小，滑动副间静、动摩擦力之差较大，摩擦系数和相对滑动速度曲线具有下降特性等。防止爬行的措施主要是改善滑动副间的摩擦特性，提高系统传动链的刚度，增加系统的阻尼和减轻滑动部件的重量。改善摩擦特性的途径包括采用摩擦系数小的摩擦副材料，施加性能较好的防爬油、脂，改动压润滑为静压润滑和改滑动摩擦为滚动摩擦等。爬行和防爬问题仍是人们研究的课题。例如分析摩擦副表面形貌对爬行的影响，定性和定量地讨论摩擦力、相对滑动速度与爬行运动之间的非线性关系，藉助电子计算机精确计算爬行临界速度和研制更为优良的防爬油脂和摩擦副材料等。消除爬行现象的

32、措施1 改善工件和刀具之间的摩擦特性（1）采用合适的刀具和工件材料。针对不同的工件材料选用合适材料的刀具，使刀具和工件的相互摩擦系数以及使刀具和工件的动静摩擦系数的差别尽量地小。（2）施加性能较好的切削液。性能较好的切削液能较好地改善刀具和工件的摩擦特性。（3）采用滚珠丝杠代替普通的螺纹丝杠，以液体摩擦代替边界或干摩擦，采用特殊的润滑油等，通过改善机床传动系统的摩擦特性改善进给系统的灵敏性，减少爬行现象的发生。2 提高系统的刚度名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 26 页 -18（1）减少刀具伸出刀架的长度，加粗刀柄，提高刀架的刚度。（2）减小工件的长径比，采用中心

33、架等中间支承，增加工件的刚度。（3）适当加粗进给机构中传动丝杠的直径、缩短丝杠长度等，提高进给机构的传动刚度，尽量消除进给机构中各传动元件之间的间隙，缩短进给机构的传动链，提高机床传动系统的刚度。3 增加系统的阻尼增加系统的阻尼，可以选用内阻尼较大的材料（如铸铁）做支承件，也可以在零部件上附加高阻尼材料或压入阻尼环节等，来减少爬行现象的发生。4 减轻切削加工的负载可以通过减小背吃刀量，减轻各传动部件重量的方式，减轻切削加工的负载，改善切削加工中的爬行现象。4.4硬件电路的实现1.步进电机驱动电路图 4-3 步进电机驱动电路2.单片机脉冲计数与显示电路单片机脉冲计数器主要由AT89C51单片机，

34、晶振，两个共阴数码管，电源，电容，排阻，电阻，开关等元件组成。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 18 页，共 26 页 -19 复位电路：单片机的第9 脚 RST 为硬件复位端，只要将该端持续4 个机器周期的高电平即可实现复位，复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态，其电路如图4-4 所示：图 4-4 复位电路图 4-5 晶振电路晶振电路：单片机必须在时钟的驱动下才能工作。在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工作速度。时钟电路如图4-5 所示。图 4-6 单片机脉冲计数与显示电路名师资料总结-精品资料欢

35、迎下载-名师精心整理-第 19 页，共 26 页 -20 汇编语言源程序如下：Count EQU 30H ;EQU 标号赋值伪指令SP1 BIT P3.7 ORG 0 START:MOV Count，#00H NEXT:MOV A,Count MOV B，#10 DIV AB ;A除以 B,商(存于)A 余(下)B MOV DPTR，#TABLE MOVC A，A+DPTR MOV P0，A MOV A，B MOVC A，A+DPTR MOV P2，A WT:JNB SP1,WT ;SP为 0 转移 /中断程序WAIT:JB SP1,WAIT ;SP为 1 转移LCALL DELY10MS ;

36、调用显示子程序JB SP1，WAIT INC Count ;Count加 1 MOV A，Count CJNE A,#100,NEXT ;累加器与立即数不等转移LJMP START ;返回初始值DELY10MS:MOV R6,#20 ;子程序D1:MOV R7,#248 DJNZ R7,$DJNZ R6,D1 RET ；子程序返回TABLE:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH ;0-9/子程序END 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 20 页，共 26 页 -21 5 测控电路5.1测控总体方案PC 微机给定一个初始位移信号，初

37、始信号经过单片机转化成电信号，电信号中可能有其他噪声、垃圾信号的干扰，经过滤波电路后去除不必要的信号。由于信号比较小，为了方便直流电机的读取，在直流电机前添加放大电路，放大后的信号驱动直流电机转动，从而带动工作台的移动。工作台的移动造成了莫尔条纹的变化。光栅传感器将光信号转化为电信号，由于精度的要求，需要将此脉冲信号进行细分，达到更高的精度。电信号通过一个电阻链5 倍频细分电路，输出两路相位差为90 度的方波信号，刚好满足4细分电路的输入要求，电信号经单稳4 细分电路进一步细分。细分后的信号由1 个 16 位的计数器接收，计数器上显示此时的位移量。信号反馈回单片机，单片机将此时的位移量与初始位

38、移进行比较，将比较后的差值再次送入直流电机，进行更进一步的校正。测控系统总体方案框图见图5-1。图 5-1 测控系统总体方案框图5.2测控电路测控电路如图5-2 所示。依次可拆分为：光电转换电路、电阻链五倍频细分电路、单稳四细分辨向电路、单片机脉冲计数与显示电路、步进电机驱动电路。光电转换电路：采用两个两光电推挽式接收电路及一个180 度移相电路。电阻链五倍频细分电路：实现对正余弦模拟信号的细分，输出为相位差为90 度的方波信号。由电阻移相网络、比较器、逻辑电路组成。可与4 细分电路级联。单稳四细分辨向电路：利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分。输出可直接送入计数器。单片机脉冲计数与显示电

39、路：由两个共阴数码管、51 单片机、复位电路、晶振电路组成。单片机放大电路伺服电机光电转换光栅传感器辨向细分电路计数器PC 机工作台名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 21 页，共 26 页 -22 图 5-2测控电路名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 22 页，共 26 页 -23 6 展望与总结作为大学即将结束时的最后一次课程设计，这次课程设计有着很重要的意义。它不仅为即将到来的毕业设计奠定了基础，更是对大学所学知识的一次总结。这次课程设计涵盖了数字电路、模拟电路、测控电路、传感器、控制工程基础、单片机、精密仪器设计等学科，其中电路图的绘制还涉及到了 Prote

40、l 的使用。首先，这次课程设计是对自己所学知识的一次融会贯通。通过对精密工作台光栅定位测量与控制系统的设计，实现了各科知识的串联与交汇。电路方面涉及到了光电转换电路、差分放大电路、移相电路、单稳四细分辨向电路、电阻链5 倍频细分电路等；传感器方面涉及到了光栅尺位移传感器；控制工程方面涉及到了开环、闭环伺服系统；单片机方面涉及到了单片机脉冲计数器、步进电机的驱动等。总之，通过这次课程设计，对于掌握机、光、电、算技术结合的仪器总体设计有关基础理论知识有很大的帮助。其次，对于这次课程设计本身所研究的课题有了比较基础的了解。光栅定位测量与控制系统的大致思路是：单片机驱动步进电机运动，步进电机带动工作台

41、移动，工作台的移动造成了莫尔条纹的变化，光栅尺位移传感器测量实时位移，通过光电探测器实现了位移信号向电信号的转换，电信号经过细分电路达到系统所要求的精度，细分后的信号由计数器计数并显示，信号反馈回单片机，单片机对实时信号与给定信号比较并给出更精确的控制信号。其次，在这次课程设计中，参考了一些中外文资料，这对于扩展自己的思维有很大的帮助。虽然真正引用的只占了其中的一部分，但不可否认，还是学到了一些知识。比如单光栅测量位移，利用压电陶瓷微动机构实现对精密工作工作台的校正等。最后，这次课程设计是毕业设计的前奏。本次课程设计为毕业设计的开展做了很好的引导和铺垫。一些典型的问题处理起来将会更加得心应手，

42、比如：如何布置论文的行文格式，如何针对性地寻找资料，如何从各种资料中筛选有用的信息等。如果说这次课程设计是对自己大学学习的一次小总结，那么毕业设计就是对大学各科知识的一次更深入的关联。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 23 页，共 26 页 -24 7 参考文献1 李庆祥，王东生，李玉和。现代精密仪器设计M。清华大学出版社，2004。2张国雄。测控电路M。机械工业出版社，2011。3童诗白，华成英。模拟电子技术基础M。高等教育出版社，2006。4阎石。数字电子技术基础M。高等教育出版社，2004。5史敬灼。步进电动机伺服控制技术M。科学出版社，2006:23-26。6蒋小军，黄

43、惠杰，王向朝。基于光栅传感器的位移测量仪的研制J。电子测量技术，2008，（7）：147-152。7苏大图。光学测试技术M。北京理工大学出版社，1996。8杨康。精密工作台光栅定位测量与控制系统的设计J。浙江理工大学，2006。9 徐良元，刘勇，朱灵，霍玉峰，吴路生。某仪表车床的光栅测量系统的设计研究J。农业工程与信息技术，2008：489493。10颜嘉男。伺服电机应用技术M。科学出版社，2010：37-71。11吕海宝。基于虚拟仪器技术的光栅位移测量系统J。仪表技术与传感器，2004（12）：23-25。12李岩。精密光栅纳米级承载工作台设计与研究D。长春理工大学，2007。13 张英杰，

44、海淘。一种辨别莫尔条纹形状的实时性辨向电路J。现代电子技术，2004，19（5）：29-31。14李晖，刘庭欣。光栅莫尔条纹的辨向和细分电路研究J。辽宁大学学报，2003，30(2)：127-125。15 田德文。莫尔条纹在测量中的应用J。遥测遥控，1986（3）：37-40。16 孙亮。精密工作台光栅定位测量与控制系统设计J。测试技术，2007（1）：47-48。17 蔚婷，乔学光，贾振安，等。单光纤实现位移温度同时同步测量J。传感技术学报，2005（2）：358-362。18 李丰丽，钟金刚。位移的莫尔条纹测量技术J。实验技术与管理，2002:30-33。19 袁小滨，李怀琼。光栅莫尔条纹

45、数字细分技术及其误差分析J。西安公路交通大学学报，2001，21(1)：113-115。20 李欣，黄世涛。光栅莫尔条纹细分技术的研究J。仪器仪表与检测报，2004，18(12)：83-85。21 彭志龙，岳水坚。一种硬件细分方法的研究与应用J。中科院光电技术研究所，2003，29(4)：23-32。22 李怀琼，陈钱,庄小栋。新型光栅信号数字细分技术及其误差分析J。计量学报，2001，22(4)：77-85。23 余文新，胡小唐，邹自强。一种高分辨率和高频响的光栅纳米测量细分方法J。天津大学学报，2002，35（1）：1-4。24 刘文文，费业泰。高精度的光栅信号细分算法J。应用科学学报，1

46、999，8(3)：13。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 24 页，共 26 页 -25 25 徐航。光栅信号的相位细分与数字编码技术J。装甲兵工程学院学报，1995，9(1)：2-1。26 梁海锋，严一心。基于光栅传感器位移测量的软、硬件设计J。现代电子技术，2003，23：88-89。27 束小梅，左勇，徐晓波。长度光栅测量系统的误差修正技术J。计量测试与检定，2010,20（5）：10-13。28 张善钟。测量光栅技术M。北京：机械工业出版社，1985。29 祝绍箕，黄宣邵，曹向群。光栅数字显示技术及应用M。北京：机械工业出版社，1992。30 卢国钢。现代光栅测量技术J

47、。世界制造技术与装备，2002，（5）：10-13。31 马修水，费叶泰，陈晓怀等。一种新型纳米光栅传感器的理论研究J。仪器仪表学报，2006，（2）：159-164。32 楚兴春。纳米光栅干涉位移测量关键技术的研究D。国防科技大学仪器科学与技术研究生论文,2005。33 欧阳航空，陆林海。基于DSP的光栅莫尔条纹信号辨向与细分电路研究J。制造业自动化，2005,27（5）：5-7。34 刘保录。提高计量光栅尺分辨率的几种细分方法J。兰州工业高等专科学校学报，1995（2）：45-49。35 闫丽，段发阶，方志强。基于EPM7128的光栅位移传感器信号细分电路模块的设计J。计量与测试技术，20

48、05,32（3）：5-8。36 左胜广，冯进良，张桂源，张荣，张尧禹。基于DSP信号处理的变栅距光栅位移测量系统设计J。长春理工大学学报，34（2）：12-15。37 刘正坤。变栅距光栅位移传感器的若干问题D。中国科学技术大学博士学位论文，2009。38 黄向慧。基于高速单片机控制的位移测量系统设计J。工况自动化，2006（4）：44-46。39 李树秋，郑万波，杨勇健。单片机160 细分的原理和实现J。仪器仪表学报，2005,26（8）：566-580。40 节德刚，刘延杰，孙立宁，陈智超，蔡鹤皋。基于双光栅尺的高速高精度位移测量方法J。光学精密工程，2007,15（7）：1077-1083

49、。41 金建新。输出正交正弦波的光栅尺在位移测量中的脉冲细分原理J。自动化仪表，2002,23（1）：17-19。42 WALKER C A.Historical review of Moire interferometry J.Experimental Mechanics,1994,34(4):281-299.43 WANG F,QI X D.Grating heterodyne interferometer of high accuracy controlling photoelectric grating ruling engine J.Laser Technology,2008,32(

50、5):474-476.44 LATIME P.Talbot plane patterns:grating image or interference effects J.Appl Opt,名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 25 页，共 26 页 -26 1993,32(7):1078-1083.45 XIA H J,FEI Y T.Error analysis of 2-D diffraction grating interferometer for high-resolution displacement measurementJ.Proc SPIE,2008:13052-1