精密工作台光栅定位测量与控制系统设计

1精密仪器课程设计设计题目:精密工作台光栅定位测量与控制系统设计姓名：杨浩渺学号：B07340128指导老师：陈本勇2目录摘要································3第一章国内外现状概述···············31.1研究的背景与意义···················3-41.2国内外发展现状····················41.2.1精密工作台···················4-51.2.2测量方法····················5-6第二章总体方案设计······························62.1方案构思··············································6-72.2运动范围和精度的实现··································7第三章测量方案设计······························83.1测量方法··············································83.2光栅传感器············································8-93.3信号的辨相细分······································10-13第四章控制方法设计······························134.1控制系统总体方案···································13-144.2执行元件···········································14-154.3控制装置···········································15-16第五章测控电路················17-18第六章展望和总结·····························19-20参考文献····················20-213摘要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微位移技术的发展，因此直接影响到微电子技术等高精度工业的发展。本次毕业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1000细分。利用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第1章国内外现状概述1.1研究的背景与意义当前，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。制造业对测量仪器的需求，在经过1998、1999年的低迷疲软之后，2000年后有了较明显的增长。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。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[1]。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[2]。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[3]。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4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[4]。目前，超精加工己进入纳米技术领域，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。现代战争、工业技术对精密位移测量也提出了越来越高的要求。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。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[5]。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。1.2国内外发展现状1.2.1精密工作台高精度和高分辨率的精密工作台系统在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极为重要的地位。它直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平。同时，它的各项技术指标是各国高技术发展水平的重要标志。精密工作台系统的定位精度和行程范围直接影响生产加工的精度。同时，工作台的速度、加速度及启停过程的稳定时间则影响设备的效率，成为系统的重要指标。这些一次定位的精密工作台系统可以按精度高低和行程大小分为两类：小行程、极高精度的工作台系统和大行程、高精度的工作台系统。小行程极高精度工作台大多采用压电元件或电磁元件作为驱动装置。行程多在数十微米的范围内，但位移分辨率可高达1nm。大行程高精度工作台是指行程达毫米级以上，但定位精度略低于小行程系统的工作台系统。它大多采用直线电机或摩擦式驱动方式，运动分辨率大多在10nm左右[6]。精密工作台（或称微动工作台）由微位移器和导轨两部分组成，根据导轨形式和驱动方式可分为五类：（1）柔性支撑，压电或电致伸缩微位移器驱动；（2）滚动导轨，压电陶瓷或电致伸缩微位移器驱动；（3）滑动导轨，机械式驱动；（4）平行弹性导轨，机械式或电磁、压电、电致伸缩微位移驱动；（5）气浮导轨，伺服电机或直线电机驱动。5微位移器根据形成微位移的机理可分为两大类：机械式和机电式。微位移器在精密仪器中主要用于提高整机的精度，因此随着科学技术的发展，精密仪器的精度越来越高，微位移技术应用就越来越广泛[7]。1.2.2测量方法现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科，涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学科的支持。在现代工业制造技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智能化的发展趋势[8]。就其测量精度而言已由微米向纳米提升，而这是离不开测量技术与设备的。现阶段的测量技术主要有：扫描探针显微镜（STM）——其空间分辨率可达极高（平行和垂直分辨率可达0.1nm和0.01nm），广泛应用于表面科学、材料科学和生命科学等研究领域；扫描X射线干涉技术——是利用单晶硅的晶面间距作为亚纳米精度的基本测量单位，加上X射线波长比可见光波波长小2个数量级，有可能实现0.01nm的分辨率；光学干涉显微镜——包括外差干涉测量技术（光外差干涉轮廓仪具有0.1nm分辨率）、超短波长干涉测量技术、基于F—P(Febry—Perot)标准的测量技术（具有极高的灵敏度和准确度，精度0.001nm）等；超精密测量电容测微仪——其特点是非接触测量，精度高、价格低，但测量范围有限，测量稳定性和漂移常令人不满意；双频激光干涉仪--精度高，测量范围大，因此常用于超精密机床作位置测量和位置控制测量反馈元件，但这种测量方法对环境要求高，对生产机床在时间加工中往往过于苛刻，很难加以保证[2]。以上几种测量技术高造价或者高环境要求，而超精密光栅尺不但有价格便宜，环境要求低的优点外，还具又很多优势：（1）测量精度高——计量光栅应用莫尔条纹原理，莫尔条纹是由许多刻线综合作用结果，故对刻划误差又均化作用，因此利用莫尔条纹信号所测量的位置精度较线纹尺高，可用于高精度的定位系统。（2）读数速率高——莫尔条纹的取数率一般取决与光电接收元件和所使用电路的时间常数，取数率可从每秒零至数十万次，既可用于静止的也可用于运动的，非常适于动态测量的定位系统。（3）分辨率高——光刻、复制技术和微电子技术的发展以及莫尔条纹细分技术日益成熟，使光栅测量分辨率能达到纳米级。（4）读数易实现数字化、自动化——莫尔条纹信号接近正弦，比较适合与电路处理，故其测量位移的莫尔条纹可用光电转换以数字形式显示或输入计算机，实现自动化且稳定可靠。另外由光栅产生的莫尔条纹也有优点：（1）莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系——当光栅副中任一光栅沿垂直于可划线方向移动时，莫尔条纹就沿着近似于垂直于光栅运动的方向运动。光栅移动一个栅距，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。两者运动关系是对应的。6(2)莫尔条纹具有位移放大作用——（2-1）式中：k——放大倍数。一般角取值很小，故k值很大。由于莫尔条纹具有放大作用，因此适于高灵敏度的位移测量，也可直接进行细分。(3)莫尔条纹具有平均光栅误差作用——由于光栅在刻划过程中存在栅距误差，故莫尔条纹不是直线，而莫尔条纹是由大量光栅刻线组成的，光电元件接收到的是这个区域中所包含的所有刻线的综合结果，即对各栅距的误差起到了平均作用。从而提高测量精度[7]。第二章总体方案设计2.1方案构思实现微位移机构的方案比较多，用途也很广泛，根据不同的要求，采取不同的方案，应以满足使用要求而又经济合理为准则。但作为精度补偿用的微动工作台，因它的精度要求比较高，一般都在亚微米级以上，所以设计时满足使用要求外，还应具有良好的静态特性和动态特性。作为理想精密微动工作台，应满足下列要求：微动工作台的支承或导轨副应无机械摩擦和无间隙，使其具有较高的位移分辨率，以保证高的定位精度和重复精度，同时还应满足工作进程：微动工作台应具有较高的几何精度，即颠摆、滚摆和摇摆误差要小，还应具有较高的精度稳定性：微动工作台应具有较高的固有频率，以确保微动台有良好的动态特性和抗干扰能力，即最好采用直接驱动的方式，无传动环节：微动系统要便于控制，而且响应速度快。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。其总体方案图37在控制方法的选取上，典型伺服系统如开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统的基本配置、控制原理及控制特点。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，顾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，