精密工作台光栅定位测量与控制系统设计【参考】.doc

精密仪器课程设计 学长的一片苦心呀！！！！！各位！！！ 要过本永哥的课，要拼人品！！！目 录 第1部分 国内外现状概述 2 一、研究背景与意义 2 二、国内外发展现状 4 第2部分 总体方案设计 6 一、方案构思 6 二、运动范围和精度 7 第3部分 测量系统设计 8 一、测量方案 8 二、光栅传感器 9 三、信号辨向细分 13 第4部分 控制方法设计 19 一、控制系统总体方案 19 二、执行元件 20 三、控制装置 22 第5部分 测控电路总体设计 29 一、测控总体电路 29 第6部分 总结与展望 32 参考文献 34 第1部分 国内外现状概述 一、研究背景与意义 几何形状是客观世界中最广泛最具体的物质形态，几何量就是表征客观物体大小、长短、形状及位置的物理量。其中长度是几何量的基本参量，长度量的精密计量具有极为重要的意义。 当前，制造业省人化、自动化趋势进展迅猛异常，而测量作业在此过程中是不可或缺的关键环节，它与生产加工和制品运送同等重要。当今世界，提高运营效率已成为制造业面临的重大课题，制造技术也随之掀起了不断革新的浪潮。 近代机械工业尤其是当代超精密加工技术、微／纳米技术、微机电系统等的兴起与发展对长度量的测量提出了越来越高的要求。近几十年来，随着激光技术在精密位移测量中的应用，长度量的工程测量技术有了飞速的发展。 制造业是国家的支柱产业，是一个国家、一个民族赖以繁荣昌盛的最根本的基础。世界各国都十分重视制造科学和制造技术的研究，美国科学基金会将先进制造列入优先资助领域。当前，制造科学和制造技术正向超精密、微细化方向发展，超精加工己成为先进制造的重要内容之一。 目前，超精加工已进入纳米技术领域，具有纳米级分辨率的测量技术是超精加工中不可缺少的一环，也是急待解决的关键技术之一。纳米级的测试技术在现代武器装备的制造中有着非常重要的作用。现代局部战争已经体现出“高精度”的特点。例如，在海湾战争和空袭南斯拉夫的作战中，美军大量使用激光制导炸弹。激光制导炸弹所需的激光跟踪，激光照射中许多激光元件如激光反射镜、非球面透镜，其精度要求都很高，这些元件的加工质量将直接影响到制导的精度。另外，高精度陀螺仪的加工、卫星姿态控制轴承孔以及轴承外圆的圆度、圆柱度也都为纳米级，因此，在武器装备现代化的过程中，超精加工和超精检测的重要性是毋容置疑的。现代工业技术对精密位移测量也提出了越来越高的要求，例如在微电子行业、超精加工行业等，半导体工业中的高精度模板的制造和定位，高精度传感器的标定；在科学研究中的量子物理学、化学、分子生物学等都需要很高的位移测量精度。无论是对国民经济各部门还是军事领域等，纳米测量都有着巨大意义。世界上许多科学家正在从事这方面的工作，也为此提出了许多测量原理和方法，纳米计划在欧洲、在美国、在日本都非常受到重视[]。 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[]。 随着人们对大量程、高分辨率、和高精度的测量要求的不断深化，光栅位移 测量技术正在受到越来越广泛的重视。相比于其他高精度位移测量方法，光栅位移测量在结构、光路、电路和数据处理方面都比较简单、