精密工作台的光栅定位测量与控制系统 2.doc

精密工作台的光栅定位测量与控制系统 课程设计报告 班 级 报告人姓名 学 号 指导老师 完成时间 2014年 1 月 3 日 摘 要 随着现代科学技术的迅速发展，定位测量与控制系统是精密仪器中的一个重要组成部分，特别是对高精度的仪器尤为重要。精密工作台光栅定位测量与控制系统是一种包括激光干涉仪、光栅、线纹尺、感应同步器、磁栅及码盘等多个元器件组成的精确地的定位测量与控制系统。 本次课程设计提出精密工作台光栅定位测量与控制系统的设计方案。设计了工作台的结构。以光栅莫尔条纹为基础，设计了工作台的光学系统，采用100线对/mm的光栅尺，即栅距为10um。对莫尔条纹的工作原理、光电转换技术和细分技术进行了分析。设计了相位跟踪细分法对莫尔条纹进行20倍细分。利用8051单片机和8253计数器对脉冲进行计数，通过RS232接口实现通讯，并由PID控制器进行实时控制。 目前，精密定位测量技术已经相当成熟，但随着现代工业技术的发展，对精密定位测量的要求也会随之提高。为了满足更高的要求，精密定位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。 关键词：光栅定位系统；光纤光栅传感器；激光干涉仪；测量控制 目 录 第1章 1 1.1 国外研究发展及现状 1 1.2 国内研究发展及现状 2 1.3 测量方法 3 第2章 5 2.1 方案构思 5 2.2 运动范围和精度的实现 7 第3章 8 3.1 测量方案框图 8 图2 测量方案框图 8 3.2 测量原理详述 8 3.2.1 光栅传感器 8 3.2.2 光栅莫尔条纹的辨向[28] 11 3.2.2 软硬件电路实现 12 第4章 15 4.1 控制系统总体方案 15 4.2 控制原理 15 4.3 软、硬件的实现 16 第5章 18 第6章 21 参考文献 22  绪论 国外研究发展及现状 最早的光栅，要归功于美国天文学家李敦豪斯（David Rittenhouse，1732 ～ 1796）。1786年，他在两根由钟表匠制作的细牙螺丝之间，平行地绕上细丝，在暗 室里透过它去看百叶窗上的小狭缝时，观察到三个亮度差不多相同的像，在每边还有几个另外的像，“离主线越远，它们越暗淡，有彩色， 并且有些模糊。”[1]他实际上制成了透射光栅，还在费城做了光栅实验。他制作的最好光栅，约为4.3/mm。 1801 年杨氏（Thomas Young，1773～1829）在“光的理论”一文中，介绍了他研究光栅的情况。他利用一块刻有相邻间隔约为 0.05mm 的一系列平行线的玻璃测微尺，当作光栅，作了如下的观察:“……让阳光以45°方向入射，当其以某一条刻线为轴旋转时，可以测出光的偏转角；我发现最亮的红线出现在偏转角为10.5°，20.75°，32°和 45°处，它们的正弦之比为1，2，3和4。”[2]1813年，他认识到所观察到的彩色是由于相邻刻线的微小距离所致。 在光栅发展早期，人们对光栅的认识还只是初步的，在光栅制作上也仅仅是开始偿试。[3]从20世纪50年代至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。它们有各自的优点，相互补充，在竞争中都得到了发展。但光栅测量系统的综合技术性能优于其它4种，而且其制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。在栅式测量系统中，光栅的占有率已超过80%，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。 计量光栅技术的基础——莫尔条纹（Moire fringes）是由英国物理学家L Rayleigh首先提出的。到20世纪50年代才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。1950年，德国Heidenhain首创DIADUR复制工艺，即在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，可制造出高精度、价格低廉的光栅刻度尺，所以光栅计量仪器才被广大用户所接受，并进入商品市场。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