北华航天工业学院毕业论文
Abstract
Absolute grating, is the measurement feedback device using of grating optics , often used in closed-loop CNC machine tool servo systems.
In this paper, there will be a detailed discussion and demonstration about raster data acquisition and signal’s subdivision. The main feature of this design is the ability to obtain real-time location of the grating absolute position, and to distinguish the sub-circuit through the signal processing to measure the output signal into digital pulses with a detection range, high precision and fast response
Key words Quadrature decoder/ counter
Data Acquisition Grating Sensor
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目 录
第1章 绪论 ................................................................ 1 1.1 光栅传感器简介 ....................................................... 1 1.2 课题背景 ............................................................. 1 1.3 课题的建立以及本文完成的主要工作 ..................................... 2 第2章 光栅测量技术 ....................................................... 3 2.1 光栅简介 ............................................................. 3 2.2 光栅测量原理 ......................................................... 4 2.2.1 信息采集原理 ..................................................... 4 2.2.2 裂相窗口测量原理 ................................................. 5 2.2.3 绝对位移测量 ..................................................... 6 第3章 光栅尺的电路设计 ................................................... 7 3.1 光栅尺辨相技术 ....................................................... 7
3.1.1 辨相的原理 ....................................................... 7 3.1.2 辨相电路 ......................................................... 9 3.2 细分原理 ............................................................ 10 3.2.1 四细分 .......................................................... 10 3.2.2 五细分 .......................................................... 11 第4章 光栅尺版图制作 .................................................... 14 4.1 版图制作概况 ........................................................ 14 4.2 版图制作设计 ........................................................ 14 4.2.1 软件环境介绍 .................................................... 14 4.2.2 电路图的绘制 .................................................... 14 4.3 电子版图布线设计 .................................................... 15 4.4 主要技术性能指标 .................................................... 18 第5章 光栅尺的制造与安装 ................................................ 19 5.1光栅尺的制造 ........................................................ 19
5.1.1 元器件筛选的目的和作用 .......................................... 19 5.1.2 元器件筛选的原理 ................................................ 19 5.1.3 电子元器件筛选方案 .............................................. 20 5.2光栅尺的安装 ........................................................ 21 5.2.1 位移传感器安装基面 .............................................. 21 5.2.2 位移传感器主尺安装 .............................................. 22 5.2.3 位移传感器读数头的安装 .......................................... 22 5.2.4 位移传感器限位装置 .............................................. 22
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5.2.5 位移传感器检查 .................................................. 22 5.2.6 光栅传感器安装注意事项 .......................................... 23 第6章 结论 ............................................................... 24 致 谢 .................................................................... 25 参考文献 .................................................................. 26 附 录 .................................................................... 27 附录1 .................................................................. 27 附录2 .................................................................. 32
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绝对式光栅尺
第1章 绪论
1.1 光栅传感器简介
传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。
光栅尺位移传感器按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅。
1.2 课题背景
从上个世纪50年代到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了起来，测量单位不是像激光一样的是光波波长，而是通用的米制（或英制）标尺。它们有各自的优势，相互补充，在竞争中都得到了发展。由于光栅测量系统的综合技术性能优于其他4种，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80%，光栅长度测量系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级，测量速度从60m/min，到480m/min。测量长度从1m、3m达到30m和100m。
计量光栅技术的基础是莫尔条纹（Moire fringes），1874年由英国物理学家L.Rayleigh首先提出这种图案的工程价值，直到20世纪50年代人们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，也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所
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接受，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，并能鉴别移动方向，这就是4倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基础，并一直广泛应用至今。
德国Heidenhain公司1961年开始开发光栅尺和圆栅传感器，并制造出栅距为4μm（250线/mm）的光栅尺和10000线/转的圆光栅测量系统，能实现1微米和1角秒的测量分辨力。1966年制造出了栅距为20μm（50线/mm）的封闭式直线光栅传感器。在80年代又推出AURODUR工艺，是在钢基材料上制作高反射率的金属线纹反射光栅。并在光栅一个参考标记（零位）的基础上增加了距离编码。在1987年又提出一种新的干涉原理，采用衍射光栅实现纳米级的测量，并允许较宽松的安装。1997年推出用于绝对传感器的EnDat双向串行快速连续接口，使绝对传感器和增量传感器一样很方便的应用于测量系统。现在光栅测量系统已十分完善，应用的领域很广泛，全世界光栅直线传感器的年产量在60万件左右，其中封闭式光栅尺约占85%，开启式光栅尺约占15%。
1.3 课题的建立以及本文完成的主要工作
本文主要包括以下内容：
1．光栅传感器的设计原理，设计方法，设计的实现，原理的建立和联系到原理所产生的设计方法，方法的优缺点，困难，和解决思路。在原理的完成，查漏，补全以及替换上反复验证。各部分的采用实现，适合的元器件选择，理论的完成设计思想。
2．使用protel 99工具，学会使用工具，再熟悉并可以使用的基础上根据完成的电路设计，画出原理电路图，结合元器件的选择，在版图制作中进行版图制作，根据实际的生产情况，对版图的制作进行修改加工，在实际的基础上完成对版图的制作。在这里需要对实际工作的认识和熟悉，加工工艺的要求在这里要有充分的认识。
3．熟悉光栅传感器的制作工艺，了解生产过程，在工程生产中所要求的注意事项，在工艺中实际的实现有技术要求，要联系到实际可能性和实用性，最后完成并生产出实际的光栅传感器。
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