绝对式光栅尺毕业论文

毕业设计报告（论文）

报告（论文）题目： 绝对式光栅尺 作者所在系部： 电子工程系 作者所在专业： 电子信息工程 作者所在班级： B006214 作 者 姓 名 ： 贾晓帅 作 者 学 号 ： 20064021420 指导教师姓名： 王援朝 完 成 时 间 ： 2008年6月20日

北华航天工业学院教务处

北华航天工业学院

毕业设计(论文)任务书(理工类)

学生姓名： 贾晓帅 专 业：电子信息工程 班 级：B06214 学 号：200621420 指导教师： 王援朝 职 称： 工程师 完成时间： 10/6/2010 毕业设计(论文)题目： 绝对式光栅尺 教师科研纵向课题（ ）课 题 横向课题（ ） 题目来源 理论研究（ ） 题目类型 应用研究（ ） 应用设计（√） 其 他（ ） 教师自拟课题（√） 学生自拟课题（ ） 注：请直接在所属项目括号内打“√” 总体设计要求及技术要点： 该传感器与光栅数显表,或与电子细分卡、计算机、PLC，或与数控单元一起组成测量、控制系统。被广泛地用于数控镗床、铣床、车床、磨床、电加工机床、镗铣床、加工中心、专用机床、测量机、工作台、激光加工、半导体加工等数控设备。 主要特色：基准器刻有两个定位码道，精码道用于栅尺判向和细分，粗码道它以二进制伪随机码编程，再通过与其配用的译码显示器使全长的测量范围内的任意位置实现单值函数的测量，实时确定光栅尺移动的绝对位置。极大地提高了系统的 抗干扰能力。 工作环境及技术条件： 主要技术指标： 量程50～11000mm 工作速度30～120m/min 准确度±5～±15μm 分辨率0.5μm 工作温度-10～+50°C 耐振动20～35M/sec2 工作及最终成果： 1. 绝对式直线编码器JGX-7光栅传感器系统分析与论证 2. 绝对式直线编码器JGX-7光栅传感器产品结构分析与设计 3. 绝对式直线编码器JGX-7光栅传感器电路设计 4. 绝对式直线编码器JGX-7光栅传感器电路板设计与制作 5. 绝对式直线编码器JGX-7光栅传感器产品电路及总体安装调试

成果： 1.毕业设计论文 2.设计产品实物 3.全套分析、设计技术资料 时间进度安排： 第5～6周 参观、布置任务 第7～8周 收集技术资料，完成技术可行性论证并撰写开题报告 第9～10周 系统分析与论证 第11～12周 结构分析与设计 第13～14周 电路板设计与制作、总体安装与调试 第15～16周 撰写毕业设计论文 第17周 毕业设计论文答辩及成绩评定 指导教师签字： 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字： 年 月 日

北华航天工业学院

本科生毕业设计（论文）原创性及知识产权声明

本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 绝对式光栅尺

是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。

本毕业设计（论文）成果归北华航天工业学院所有。本人遵循北华航天工业学院有关毕业设计（论文）的相关规定，提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本。本人同意北华航天工业学院有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以营利为目的的前提下，可以公布非涉密毕业设计（论文）的部分或全部内容。

特此声明

毕业设计（论文）作者： 指导教师：

年 月 日 年 月 日

北华航天工业学院毕业论文

摘 要

绝对式光栅尺，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，经常应用于数控机床的闭环伺服系统中。

本文就光栅的数据采集，信号的细分辨相作详细的研讨和论证。本设计的主要特点就是能够对光栅尺实时定位得到绝对位置，并通过辨向细分电路对信号处理使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。

关键词： 辨向细分电路 数据采集 光栅尺

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

北华航天工业学院毕业论文

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

北华航天工业学院毕业论文

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

北华航天工业学院毕业论文

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

1

北华航天工业学院毕业论文

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。

2

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xcn.html