精密工作臺的光柵定位測量與控制系統(tǒng)設計

1、精密工作臺的光柵定位測量與控制系統(tǒng)設計姓名：學號：班級：09測控1班指導老師：陳本永、王麗敏目錄1國內(nèi)外現(xiàn)狀概述31.1概述31.2光柵檢測現(xiàn)狀42總體方案設計52.1方案構思52.2說明63測量系統(tǒng)設計63.1測量方案63.2光柵尺位移傳感器73.3光電轉換93.4信號細分電路124控制系統(tǒng)設計154.1控制方案154.2靜態(tài)參數(shù)設計164.3動態(tài)特性分析164.4硬件電路的實現(xiàn)185測控電路215.1測控總體方案215.2測控電路216展望與總結237參考文獻241 國內(nèi)外現(xiàn)狀概述1.1 概述作為精密機械與精密儀器的關鍵技術之一一微位移技術，近年來隨著微電子技術、宇航、生物工程等學科的發(fā)展

2、而迅速的發(fā)展起來。例如用金剛石車刀直接車削大型天文望遠鏡的拋物面反射鏡時，要求加工出幾何精度高于l/l0光波波長的表面，即幾何形狀誤差小于0.5u m。計算機外圍設備中大容量磁鼓和磁盤的制造，為保證磁頭與磁盤在工作過程中維持1um內(nèi)的浮動氣隙，就必須嚴格控制磁盤或磁鼓在高速回轉下的跳動。特別是到20世紀70年代后期，微電子技術向大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路方向發(fā)展，隨著集成度的提高，線條越來越微細化。256K動態(tài)RAM線寬已縮小到1.25um左右，目前己小于0.1um，對與之相應的工藝設備(如圖形發(fā)生器、分步重復照相機、光刻機、電子束和X射線曝光機及其檢測設備等)提出了更高的要求，要求這些

3、設備的定位精度為線寬的1/31/5，即亞微米甚至納米級的精度。 隨著數(shù)控技術在機床制造領域的普及，現(xiàn)代機床在加工速度，加工精度和可靠性方面都有了巨大的進步。作為數(shù)控機床核心技術之一的光柵測量技術對保障現(xiàn)代機床的各項性能指標起著決定性的作用。清楚了解現(xiàn)代光柵測量技術的發(fā)展趨勢，正確選擇適合自身需求的光柵測量系統(tǒng)對機床設計師和機床用戶有著重要的意義。 目前，光柵位移測量技術已經(jīng)相當成熟，但隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的發(fā)展，對光柵位移測量的要求也會隨之提高。為了滿足更高的要求，光柵位移測量技術不但要達到更高的分辨率，還要適應更復雜的工作環(huán)境。在長度量檢測系統(tǒng)中，光柵測量系統(tǒng)占有明顯優(yōu)勢，有著廣泛的市場前景。柵

4、式測量系統(tǒng)是將一個柵距周期內(nèi)的絕對式測量和周期外的增量式測量結合起來，測量單位不是像激光一樣的光波波長，而是通用的米制(或英制)標尺。光柵長度測量系統(tǒng)的分辨率已覆蓋微米級、亞微米級和納米級；測量速度從60mmin至480mmin。測量長度從1m、3m至30m和100m。1999年10月在中國召開的“面向21世紀計量測試理論與儀器”研討會認為:納米級測量已經(jīng)成為當今測量領域的熱點，在新的世紀要繼續(xù)解決好納米尺度的產(chǎn)生、標定及傳遞的理論和技術，制造出更新型的納米精度的計量測試儀器在如此背景下，精密工作臺光柵定位測量與控制系統(tǒng)設計也就這樣應運而生，該研究能很好的滿足超精密加工和超精密檢測的要求，對現(xiàn)

5、代工業(yè)技術的發(fā)展具有重要意義。1.2 光柵檢測現(xiàn)狀光柵數(shù)字測量系統(tǒng)是數(shù)顯機床、數(shù)控機床和測量機的重要組成部分，是由光柵傳感器和光柵倍頻器（插補和數(shù)字化電子裝置）組成。光柵傳感器是作為位移測量元件，光柵倍頻器是對光柵信號進行電子細分和數(shù)字化處理。光柵編碼器是利用刻劃在各種各樣載體（如玻璃、玻璃陶瓷、固態(tài)鋼或鋼帶） 上的光柵作為測量標準，并通過光電掃描進行分度，編碼器的精度和溫度特性可以通過刻劃和選擇載體來優(yōu)化。光柵編碼器又分為直線編碼器（光柵尺） 和圓編碼器，而圓編碼器又分為旋轉編碼器（作為旋轉軸的反饋部件）和角度編碼器（作為轉臺的角度測量部件）。對于編碼器的結構又分為開啟式的和封閉式的。它是以

6、測量各個坐標的位移來實現(xiàn)對設備的數(shù)顯和數(shù)控，因此測量系統(tǒng)的精度就決定了設備的精度。目前光柵數(shù)字測量系統(tǒng)的精度已有微米級、亞微米級和納米級三個檔次。光柵測量系統(tǒng)的長處是性能穩(wěn)定、可靠性好、精度高、測量范圍大、使用方便、價格適中，和其他測量系統(tǒng)相比有著明顯的優(yōu)勢，在當今國際市場上光柵測量系統(tǒng)要占到80%以上。目前光柵測量系統(tǒng)的測量步距已達1nm，準確度達到±0.5um，測量長度己達30m，最大移動速度已達480m/min，最大加速度已達250m/s2，最大傳輸距離達150m。目前全世界能制造光柵測量系統(tǒng)的國家除我國外還有德國、日本、美國、英國、西班牙、奧地利、意大利、俄國、韓國和印度等，

7、估計年產(chǎn)量超過70萬坐標，其中以德國HEIDENHAIN（海德漢）公司為最著名，半個世紀以來，其技術、品種、產(chǎn)量都絕對領先于其他國家。1999年HEIDENHAIN公司的雇員為4000人（其中研究開發(fā)人員約300人），銷售額為5.5億歐元，其各個品種的增長率分別為：開啟式光柵尺+30%，封閉式光柵尺-3%，旋轉編碼器+5%，角度編碼器-4%，長度規(guī)-3%，數(shù)顯表DRO-18%，數(shù)控裝置TNC+4%。我國在光柵方面的研究起步較晚，始于1960年前后，并在光柵和圓光柵的制造、應用方面取得了許多成果。但是，我們與當今世界上主要的光柵測量裝置生產(chǎn)廠家相比，（如德國的OPTION、HEIDENHAIN公

8、司、日本的三豐、雙葉、美國的B&L公司等）還有一定的差距，主要表現(xiàn)在：制造精度比較低、批量程度差、品種比較單一。此外,目前發(fā)達國家在數(shù)控技術方面均投人大量的人力物力,研究和開發(fā)了一系列新一代的數(shù)控設備。例如，德國的SIEMENS公司、日本的FUNAC公司等等。雖然我國數(shù)年來也不斷對數(shù)控技術進行發(fā)展，但是出于種種原因，直到今天我國數(shù)控領域依然處于比較落后的局面，我們必須對數(shù)控技術不斷加以研究和探索，使整個現(xiàn)代工業(yè)加工的基礎領域能有較大的發(fā)展，從而使工業(yè)經(jīng)濟得到發(fā)展。2 總體方案設計2.1 方案構思單片機系統(tǒng)放大器直線電機光柵尺位移傳感器脈沖處理工作臺圖2-1 總體方案框圖本系統(tǒng)的總體思路

9、：直流電機接到測控電路的脈沖信號和方向信號，并按直流電機狀態(tài)轉換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導通和截止信號。因此，直流電機轉速的高低、順轉或逆轉、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無、方向或頻率。直流電機的轉動帶動工作臺進行相應的直線位移。通過光柵位移傳感器測量當前工作臺的實際位移，再把測量到的實際位移反饋到控制電路?？刂齐娐钒褜嶋H位移與給定位移進行比較，通過實際位移與給定位移的偏差實現(xiàn)對工作臺的位置進行控制。測控電路把輸出通過脈沖信號傳到直流電機驅動器。從而實現(xiàn)對工作臺的校正。系統(tǒng)總體方案框圖見圖2-1。在測試技術中，傳感器是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)，它擔負著感受和傳輸信號的重要

10、任務。傳感器的類型是多種多樣的，其優(yōu)缺點也是各有側重。這里采用較高的系統(tǒng)定位精度(0.1um)，故選擇光柵位移檢測系統(tǒng)。光柵經(jīng)接收元件后變?yōu)橹芷谛宰兓碾娦盘?，采用邏輯辨向電路區(qū)別位移的正反向，利用單片機進行數(shù)據(jù)處理并顯示結果。軟件采用匯編語言實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用直流電機作為執(zhí)行元件，直線電動機的自身質量小，產(chǎn)生的推力由于直接作用在移動物體上，故可得到高效率的驅動特性。由于直線電動機驅動機構僅由兩個互不接觸部件組成，沒有低效率的中間傳動部件，也無機械滯后以及螺距誤差，從而可達到高的效率，且其精度完全取決于反饋系統(tǒng)和軸承。當用全數(shù)字伺服系統(tǒng)驅動直線電動機時，可達到高剛度和高固有頻率，從而達到極好的伺

11、服性能。2.2 說明本次課程設計選擇的是250線對/mm光柵，其柵距為4um, 利用鏡像式二倍頻讀數(shù)系統(tǒng)進行讀數(shù)，再經(jīng)過一個5倍頻信號和4細分電路的細分電路，從而達到對信號的40細分，實現(xiàn)0.1m的精度。計數(shù)器選擇74LS192計數(shù)器，經(jīng)細分后的信號以0.1為一次計數(shù)，經(jīng)譯碼后在LED七段顯示器上顯示，反饋量返回單片機，單片機控制工作臺啟停。完全達到一維運動范圍為100mm，分辨率為0.1um的設計目標。3 測量系統(tǒng)設計3.1 測量方案信號光柵傳感器光電轉換辨向細分電路可逆計數(shù)器單片機圖3-1 測量方案框圖莫爾條紋測量位移的核心部件是光柵副，即標尺光柵和指示光柵。我們把兩光柵重疊在一起并使兩柵

12、線之間有一個很小的夾角，就形成莫爾條紋。其中一塊光柵附著在移動的物體上，稱之為標尺光柵。另一塊與光電接收器件裝在一起，稱之為指示光柵。如果光柵柵線是平行直條紋，莫爾條紋則是平行直線族。當疊合交角很小時，莫爾條紋與光柵柵線幾乎垂直，這種莫爾條紋稱之為長光柵莫爾條紋。當標尺光柵沿垂直于刻線方向移動，指示光柵固定不變時，莫爾條紋就沿著近似于垂直于光柵運動方向的方向運動。光柵移過一個柵距，莫爾條紋移動一個條紋間隔。當光柵反向移動時，莫爾條紋也隨之反向運動。兩者的關系是相對的。我們可以通過測量莫爾條紋的位移來獲取標尺光柵的位移量和移動方向。莫爾條紋具有位移放大作用，條紋間距B與光柵柵距d之間有關系式B=

13、d/，因為很小，所以放大倍數(shù)K=B/d很高，莫爾條紋的光學特性為實現(xiàn)位移量的高靈敏度、高精度檢測奠定了基礎。橫向莫爾條紋光場的亮度分布符合正弦規(guī)律，用光電器件接收莫爾條紋光場亮度信號時，輸出的電信號波形也符合正弦規(guī)律。在1個條紋間距內(nèi)可以排列多個光電器件，這樣可以提取多相正弦信號。標尺光柵運動方向不同，所取得的多相正弦信號的時序相反。本課程設計采用4相光電池同時接收同一周期內(nèi)的莫爾條紋位移信息，將4相光電池附于固定的指示光柵上，使其剛好占滿1個莫爾條紋寬度，則取得的4相正弦信號U1、U2、U3、U4 相位互差90o 。標尺光柵正向移動與反向移動取得的信號的相位關系是相反的，可以根據(jù)4相正弦信號

14、的時序來判斷位移的方向。由4個光電器件獲得的4相正弦信號分別送到2只差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的2路信號其相位差為/2。信號經(jīng)差分放大后進入電阻鏈五倍頻細分電路和單穩(wěn)四細分辨向電路進行細分。經(jīng)細分后的信號通過計數(shù)器，實現(xiàn)位移的測量。3.2 光柵位移傳感器圖3-2 光柵位移傳感器1光源；2透鏡；3指示光柵；4光敏元件；5驅動線路光柵位移傳感器是由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。標尺光柵一般固定在機床活動部件上，光柵讀數(shù)頭裝在機床固定部件上，指示光柵裝在光柵讀數(shù)頭中。如圖3-2所示，光源1發(fā)出的光經(jīng)透鏡2變成平行光束，照明標尺光柵和指示光柵3，形成莫爾條紋，被光電元件4接收，轉變成電信號。

15、1. 光柵副莫爾條紋的產(chǎn)生光柵測量是利用標尺光柵與指示光柵迭合時所形成的莫爾條紋及其變化來實現(xiàn)的。兩塊長光柵（圖3-3）迭合，如果柵線間夾角為，則光柵組透光部分呈菱形，綜合效果是一組等間距亮帶，即形成了莫爾條紋（如圖3-4）。 圖3-3 長光柵結構 圖3-4 莫爾條紋的形成振幅光柵測量位移的原理設被測對象a b長度為x，則x=a b=1+2+N=N + （3-1） 式中：光柵柵距；Na，b間包含的光柵柵線對數(shù)； 1、2 被測距離兩端對應光柵上小于一個柵距的小數(shù)。如將光柵柵距進行細分，分成n等份，n為系統(tǒng)的細分數(shù)，則光柵系統(tǒng)的分辨率為=/n，則 x=M （3-2）式中：M=N n+ m以細分分辨

16、率為單位總計數(shù)值，m=0，1，2圖3-5 長光柵莫爾條紋簡圖長光柵莫爾條紋簡圖如圖3-5所示，取標尺光柵的0號柵線為y軸，x軸垂直于標尺光柵的諸刻線，指示光柵的0號柵線通過坐標原點，其夾角為，則兩刻線的交點連線代表了莫爾條紋的中心線。標尺光柵與指示光柵的柵距分別為1、2 。當1=2 =，0時，得到的莫爾條紋稱為橫向莫爾條紋，此時莫爾條紋間隔B與兩相鄰莫爾條紋在y軸上的距離By相等，即B=By。當1=2=，=0時，莫爾條紋隨標尺光柵移動而明暗交替變化，此時指示光柵相當于光閘的作用，稱為光閘莫爾條紋。當12，=0時，形成縱向莫爾條紋。2. 光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭由光源、會聚透鏡、光柵、光電元件及調(diào)整

17、機構等組成。光柵讀數(shù)頭結構形式很多，根據(jù)讀數(shù)頭結構特點和使用場合分為直讀式讀數(shù)頭、鏡像式讀數(shù)頭、分光式讀數(shù)頭、調(diào)相式讀數(shù)頭。本次課程設計采用鏡像式二倍頻讀數(shù)系統(tǒng)。鏡像式讀數(shù)系統(tǒng)是利用主光柵和它的鏡像產(chǎn)生莫爾條紋信號。其優(yōu)點是可獲得無間隙的莫爾條紋信號，無指示光柵；可獲得倍頻信號輸出，提高了靈敏度。二倍頻讀數(shù)系統(tǒng)如圖3-6所示。光源S發(fā)出的光經(jīng)透鏡L1變?yōu)槠叫泄庹彰髦鞴鈻臛，經(jīng)透鏡L2反射鏡M使主光柵的鏡像成在主光柵上，形成光閘莫爾條紋，再經(jīng)透鏡L1和析光鏡M d，被光電元件接受后產(chǎn)生光電信號。該系統(tǒng)的光電信號的頻率增加一倍，故其靈敏度也提高一倍。圖3-6 鏡像式二倍頻讀數(shù)系統(tǒng)3.3 光電轉換常

18、用的光電元件有硅光電池、光電二極管和光電三級管。硅光電池的優(yōu)點是受光面積大、光能利用率高、頻率響應較高（10-5s）,使用時不需要加偏壓，結構緊湊。常用是的四象限硅光電池，便于細分和消除直流成分。其缺點是輸出電壓（電流）靈敏度較低。光電二極管是光生伏打型元件，它的線性良好，靈敏度與硅光電池接近，頻率響應比硅光電池高（10-6s）,常用型號為2CU；光電三極管有放大作用，靈敏度高，但穩(wěn)定性與頻率響應比光電二極管差，常用的型號為3DU，受光面積為1mm2-2mm2。本課程設計采用光電二極管作為光電元件。光電轉換電路采用兩光電二極管推挽式電路。 圖3-7 常規(guī)電路 圖3-8改進電路上圖為單光電二極管

19、光電轉換電路。圖3-7是常規(guī)的光電轉換電路，圖3-8是改進后的光電轉換電路。區(qū)別在于右圖加入了兩個電容器C1和C2。優(yōu)點在于C1可以減少帶寬，C2可以減少電路中的噪聲。參照改進后的單光電二級管光電轉換電路，可以設計出兩光電二極管推挽式電路（圖3-9）。本課程設計采用4相光電二極管同時接收同一周期的莫爾條紋位移信息，獲得相位互差1/4周期的一組4相光電信號。設獲得的4相正弦信號為U1、U2、U3、U4，將4相正弦信號分別送到兩個差分放大器的輸入端，可以獲得相位差為90度的2路正弦信號。差分放大電路對共模信號的抑制能力很強，用在光電信號采集系統(tǒng)中能夠很好地減少器件暗電流和外界環(huán)境溫度變化給電路帶來

20、的影響和誤差。圖3-9 兩光電二極管推挽式電路如圖3-9所示用兩個光電二極管組成的電路，當主刻度尺移動時，光電二極管PD1中產(chǎn)生的光電流Is1為Is1= （3-3）光電二極管PD2同時產(chǎn)生的光電流Is2為Is2= （3-4）將兩電信號送入差動式放大器，放大后電壓信號Ui1為Ui1= （3-5）由PD3、PD4組成另一個推挽式接收電路，同理，可得到Ui2 。由推挽式接收電路得到兩路相位差為90度的正弦信號：Ui1 =-Esint，Ui2=Ecost。將Ui1通過一移相電路，進行180度移相，得到Ui3=Ecost。Ui1、 Ui2、Ui3滿足電阻鏈五倍頻細分電路的輸入要求。圖3-10 180度到

21、270度移相電路圖3-10是180度到270度移相電路。輸入信號放到反相輸入端，移相網(wǎng)絡放到反相的輸入和反饋環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)可變電阻R3，可實現(xiàn)180度到270度移相。圖3-11是含推挽式接收電路以及移相電路的光電轉換電路，光電轉換電路最后將莫爾條紋信號轉換為Ui1、 Ui2、Ui3三路正弦信號。圖3-11 光電轉換電路3.4 信號細分電路光電轉換電路最后將莫爾條紋信號轉換為Ui1、 Ui2、Ui3三路正弦信號，剛好滿足電阻鏈五倍頻細分電路的輸入要求，電阻鏈五被頻細分電路輸出兩路相位差為90度的方波信號，該五倍頻信號正好滿足單穩(wěn)四細分辨向電路對輸入信號的要求，與之級聯(lián)可實現(xiàn)20細分和辨向。1. 電阻

22、鏈5被頻細分電路電阻鏈分相細分主要實現(xiàn)對正、余弦模擬信號的細分。其工作原理是：將正、余弦信號施加在電阻鏈兩端，在電阻鏈的節(jié)點上可得到副值和相位各不相同的電信號。這些信號經(jīng)整形、脈沖形成后，就能在正、余弦信號的一個周期內(nèi)獲得若干計數(shù)脈沖，實現(xiàn)細分。如圖3-12所示，整個電阻鏈5倍頻細分電路由電阻移相網(wǎng)絡、比較器和邏輯電路三大部分組成。圖3-12 電阻鏈5被頻細分電路電阻移相網(wǎng)絡：在第一、第二象限內(nèi)給出的移相角分別為0°、18°、162°的10路移相信號，移相電阻的實際取值分別是18k、24k、33k和56k四種。電壓比較器：將10路移相信號與參考電壓Ur相比較，將正

23、弦信號轉化為方波信號。電壓比較器一般結成施密特出發(fā)電路的形式。邏輯電路：從比較器得到的10路方波信號經(jīng)過異或門邏輯組合電路，獲得兩路相位差為90°的五倍頻方波信號。 經(jīng)過電阻鏈五倍頻細分電路的電信號，并不能滿足本課程設計分辨率的要求，還需要經(jīng)過單穩(wěn)四細分辨向電路進行進一步細分。2. 單穩(wěn)四細分辯向電路圖3-13 單穩(wěn)四細分辨向電路圖3-13所示為單穩(wěn)四細分辨向電路。它是利用單穩(wěn)提取兩路方波信號（A、B）的邊沿實現(xiàn)四細分。A和B是兩路相位差為90度的方波信號，傳感器正向移動時，設A導前B，其細分波形圖如圖3-14a，傳感器反向移動式，其細分波形圖如圖3-14b。輸出信號Uo1、Uo2可

24、直接送入標準系列可逆計數(shù)集成電路，實現(xiàn)辨向計數(shù)。 a)正向移動 b)反向移動圖3-14 單穩(wěn)四細分辨向電路波形圖4 控制系統(tǒng)設計4.1 控制方案作為一個控制系統(tǒng)，有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式，開環(huán)來說，一般結構比較簡單，比較容易實現(xiàn)，但控制精度較低。而閉環(huán)控制系統(tǒng)由于對執(zhí)行情況進行實時檢測，并將信息及時反饋到控制端參與控制，因此中間環(huán)節(jié)與外界擾動影響比較小，精度相對要高得多。閉環(huán)伺服系統(tǒng)按指令和反饋方式比較方式的不同，大致可分為脈沖比較閉環(huán)系統(tǒng)，幅值比較系統(tǒng)和相位比較系統(tǒng)。本課程設計采用脈沖比較閉環(huán)系統(tǒng)(如圖4-1)。計數(shù)器數(shù)字模擬轉換功率放大伺服電機工作臺光柵檢測指令脈沖圖4-1 脈沖比較閉環(huán)系

25、統(tǒng)系統(tǒng)的工作原理：當指令脈沖和反饋脈沖都為零時，加、減計數(shù)器為全零狀態(tài)，伺服放大器沒有輸出，工作臺不動。當一個正向的指令脈沖來到時，計數(shù)器開始計數(shù)，經(jīng)數(shù)字模擬變換器，將有一個單位的正電壓輸出，經(jīng)伺服放大器放大，驅動伺服馬達帶動工作臺向正方向移動，直至位置檢測裝置發(fā)出一個脈沖，輸入比較環(huán)節(jié)中作減法計算，使計數(shù)器回到零狀態(tài)，工作臺即停止運動。這時，工作臺相當于在正方向移動了1個脈沖當量的距離。當輸入1個反方向的指令脈沖，數(shù)字模擬變換器則輸出1個單位電壓，但電壓極性為負，經(jīng)伺服放大器放大驅動伺服馬達帶動工作臺反向移動，直到位置測量裝置發(fā)生1個脈沖，輸入比較環(huán)節(jié)作加法計算，使計數(shù)器回到全零狀態(tài)，工作臺

26、即停止運動。這時，工作臺反方向移動了1個脈沖當量的距離。如果連續(xù)不斷地輸入正方向的指令脈沖，則使工作臺沿正方向連續(xù)移動，當停止輸入指令脈沖時，工作臺也將停止移動。4.2 靜態(tài)參數(shù)設計測量元件：測出工作臺的實際位移量后變換為相應的脈沖數(shù)。本次課程設計采用行程為100mm，分辨率為0.1um的光柵尺位移傳感器。比較元件：用來接收輸入信號與反饋信號進行比較，產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號。本次課程設計采用74LS192十進制可逆計數(shù)器對指令脈沖和反饋脈沖進行比較，計數(shù)器中的數(shù)為指令脈沖與反饋脈沖之差。計數(shù)器還應能區(qū)別出誤差的正負。變換元件：本次課程設計采用數(shù)字模擬變換信號將比較環(huán)節(jié)中的數(shù)變換成與數(shù)值成正

27、比的電壓或電流量，輸出電壓或電流的極性應能反映誤差的方向。放大元件：功率放大器驅動元件：本次課程設計采用步進電機作為伺服電機。4.3 動態(tài)特性分析爬行相象爬行是當導軌在低速運動時出現(xiàn)速度不均勻現(xiàn)象。通常是在電機接受低速運轉指令作勻速轉動時，帶動絲桿也隨者作等速轉動，而此時工作臺卻出現(xiàn)一快一慢或一停一跳的爬行現(xiàn)象。爬行現(xiàn)象不僅影響工作臺穩(wěn)定移動，同時也影響工作臺的定位精度，因此，必須采取措施予以消除。每一個爬行周期都分兩個階段：一個是能量的貯存，另一個是能量達到臨界值時的立即釋放。爬行是機床滑動導軌中常見的不正常的運動狀態(tài)。程度較輕時爬行表現(xiàn)為肉眼所不能察覺的振動，顯著時表現(xiàn)為較大距離的跳動。爬

28、行會顯著降低工件的加工精度。爬行大多在低速時出現(xiàn)。爬行的力學模型圖4-2 爬行現(xiàn)象的力學模型(a)直線運動傳動系統(tǒng)的力學模型；（b）爬行現(xiàn)象力學模型引起爬行的原因如法向載荷過大，滑動系統(tǒng)彈性元件剛度較小，滑動副間靜、動摩擦力之差較大，摩擦系數(shù)和相對滑動速度曲線具有下降特性等。防止爬行的措施主要是改善滑動副間的摩擦特性，提高系統(tǒng)傳動鏈的剛度，增加系統(tǒng)的阻尼和減輕滑動部件的重量。改善摩擦特性的途徑包括采用摩擦系數(shù)小的摩擦副材料，施加性能較好的防爬油、脂，改動壓潤滑為靜壓潤滑和改滑動摩擦為滾動摩擦等。爬行和防爬問題仍是人們研究的課題。例如分析摩擦副表面形貌對爬行的影響，定性和定量地討論摩擦力、相對滑

29、動速度與爬行運動之間的非線性關系，藉助電子計算機精確計算爬行臨界速度和研制更為優(yōu)良的防爬油脂和摩擦副材料等。消除爬行現(xiàn)象的措施1 改善工件和刀具之間的摩擦特性 （1）采用合適的刀具和工件材料。針對不同的工件材料選用合適材料的刀具，使刀具和工件的相互摩擦系數(shù)以及使刀具和工件的動靜摩擦系數(shù)的差別盡量地小。 （2）施加性能較好的切削液。性能較好的切削液能較好地改善刀具和工件的摩擦特性。 （3）采用滾珠絲杠代替普通的螺紋絲杠，以液體摩擦代替邊界或干摩擦，采用特殊的潤滑油等，通過改善機床傳動系統(tǒng)的摩擦特性改善進給系統(tǒng)的靈敏性，減少爬行現(xiàn)象的發(fā)生。 2 提高系統(tǒng)的剛度 （1）減少刀具伸出刀架的長度，加粗刀

30、柄，提高刀架的剛度。 （2）減小工件的長徑比，采用中心架等中間支承，增加工件的剛度。 （3）適當加粗進給機構中傳動絲杠的直徑、縮短絲杠長度等，提高進給機構的傳動剛度，盡量消除進給機構中各傳動元件之間的間隙，縮短進給機構的傳動鏈，提高機床傳動系統(tǒng)的剛度。 3 增加系統(tǒng)的阻尼 增加系統(tǒng)的阻尼，可以選用內(nèi)阻尼較大的材料（如鑄鐵）做支承件，也可以在零部件上附加高阻尼材料或壓入阻尼環(huán)節(jié)等，來減少爬行現(xiàn)象的發(fā)生。 4 減輕切削加工的負載 可以通過減小背吃刀量，減輕各傳動部件重量的方式，減輕切削加工的負載，改善切削加工中的爬行現(xiàn)象。4.4 硬件電路的實現(xiàn)1. 步進電機驅動電路圖4-3 步進電機驅動電路2.

31、單片機脈沖計數(shù)與顯示電路單片機脈沖計數(shù)器主要由AT89C51單片機，晶振，兩個共陰數(shù)碼管，電源，電容，排阻，電阻，開關等元件組成。復位電路：單片機的第9腳RST為硬件復位端，只要將該端持續(xù)4個機器周期的高電平即可實現(xiàn)復位，復位后單片機的各狀態(tài)都恢復到初始化狀態(tài)，其電路如圖4-4所示： 圖4-4 復位電路 圖4-5 晶振電路晶振電路：單片機必須在時鐘的驅動下才能工作。在單片機內(nèi)部有一個時鐘振蕩電路，只需要外接一個振蕩源就能產(chǎn)生一定的時鐘信號送到單片機內(nèi)部的各個單元，決定單片機的工作速度。時鐘電路如圖4-5所示。圖4-6 單片機脈沖計數(shù)與顯示電路匯編語言源程序如下：CountEQU 30H ;EQ

32、U 標號賦值偽指令SP1BIT 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)BMOV DPTR，#TABLE MOVC A，A+DPTR MOV P0，A MOV A，B MOVC A，A+DPTR MOV P2，A WT:JNB SP1,WT ;SP為0轉移 /中斷程序WAIT:JB SP1,WAIT ;SP為1轉移LCALL DELY10MS ;調(diào)用顯示子程序 JB SP1，WAIT INC Count ; Count加1MOV A，Count CJNE A,#100,

33、NEXT ;累加器與立即數(shù)不等轉移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 5 測控電路5.1 測控總體方案PC微機給定一個初始位移信號，初始信號經(jīng)過單片機轉化成電信號，電信號中可能有其他噪聲、垃圾信號的干擾，經(jīng)過濾波電路后去除不必要的信號。由于信號比較小，為了方便直流電機的讀取，在直流電機前添加放大電路，放大后的信號驅動直流電機轉動，從

34、而帶動工作臺的移動。工作臺的移動造成了莫爾條紋的變化。光柵傳感器將光信號轉化為電信號，由于精度的要求，需要將此脈沖信號進行細分，達到更高的精度。電信號通過一個電阻鏈5倍頻細分電路，輸出兩路相位差為90度的方波信號，剛好滿足4細分電路的輸入要求，電信號經(jīng)單穩(wěn)4細分電路進一步細分。細分后的信號由1個16位的計數(shù)器接收，計數(shù)器上顯示此時的位移量。信號反饋回單片機，單片機將此時的位移量與初始位移進行比較，將比較后的差值再次送入直流電機，進行更進一步的校正。測控系統(tǒng)總體方案框圖見圖5-1。單片機放大電路伺服電機光電轉換光柵傳感器辨向細分電路計數(shù)器PC機工作臺圖5-1 測控系統(tǒng)總體方案框圖5.2 測控電路

35、測控電路如圖5-2所示。依次可拆分為：光電轉換電路、電阻鏈五倍頻細分電路、單穩(wěn)四細分辨向電路、單片機脈沖計數(shù)與顯示電路、步進電機驅動電路。光電轉換電路：采用兩個兩光電推挽式接收電路及一個180度移相電路。電阻鏈五倍頻細分電路：實現(xiàn)對正余弦模擬信號的細分，輸出為相位差為90度的方波信號。由電阻移相網(wǎng)絡、比較器、邏輯電路組成?？膳c4細分電路級聯(lián)。單穩(wěn)四細分辨向電路：利用單穩(wěn)提取兩路方波信號的邊沿實現(xiàn)四細分。輸出可直接送入計數(shù)器。單片機脈沖計數(shù)與顯示電路：由兩個共陰數(shù)碼管、51單片機、復位電路、晶振電路組成。圖5-2 測控電路6 展望與總結作為大學即將結束時的最后一次課程設計，這次課程設計有著很重要

36、的意義。它不僅為即將到來的畢業(yè)設計奠定了基礎，更是對大學所學知識的一次總結。這次課程設計涵蓋了數(shù)字電路、模擬電路、測控電路、傳感器、控制工程基礎、單片機、精密儀器設計等學科，其中電路圖的繪制還涉及到了Protel的使用。首先，這次課程設計是對自己所學知識的一次融會貫通。通過對精密工作臺光柵定位測量與控制系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)了各科知識的串聯(lián)與交匯。電路方面涉及到了光電轉換電路、差分放大電路、移相電路、單穩(wěn)四細分辨向電路、電阻鏈5倍頻細分電路等；傳感器方面涉及到了光柵尺位移傳感器；控制工程方面涉及到了開環(huán)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)；單片機方面涉及到了單片機脈沖計數(shù)器、步進電機的驅動等?？傊?，通過這次課程設計，對于

37、掌握機、光、電、算技術結合的儀器總體設計有關基礎理論知識有很大的幫助。其次，對于這次課程設計本身所研究的課題有了比較基礎的了解。光柵定位測量與控制系統(tǒng)的大致思路是：單片機驅動步進電機運動，步進電機帶動工作臺移動，工作臺的移動造成了莫爾條紋的變化，光柵尺位移傳感器測量實時位移，通過光電探測器實現(xiàn)了位移信號向電信號的轉換，電信號經(jīng)過細分電路達到系統(tǒng)所要求的精度，細分后的信號由計數(shù)器計數(shù)并顯示，信號反饋回單片機，單片機對實時信號與給定信號比較并給出更精確的控制信號。其次，在這次課程設計中，參考了一些中外文資料，這對于擴展自己的思維有很大的幫助。雖然真正引用的只占了其中的一部分，但不可否認，還是學到了

38、一些知識。比如單光柵測量位移，利用壓電陶瓷微動機構實現(xiàn)對精密工作工作臺的校正等。最后，這次課程設計是畢業(yè)設計的前奏。本次課程設計為畢業(yè)設計的開展做了很好的引導和鋪墊。一些典型的問題處理起來將會更加得心應手，比如：如何布置論文的行文格式，如何針對性地尋找資料，如何從各種資料中篩選有用的信息等。如果說這次課程設計是對自己大學學習的一次小總結，那么畢業(yè)設計就是對大學各科知識的一次更深入的關聯(lián)。7 參考文獻1 李慶祥，王東生，李玉和?，F(xiàn)代精密儀器設計M。清華大學出版社，2004。2 張國雄。測控電路M。機械工業(yè)出版社，2011。3 童詩白，華成英。模擬電子技術基礎M。高等教育出版社，2006。4 閻石

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