摘要
光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，是用于数控机床及其它工程测量中的精密检测装置，光栅测量技术对保障现代机床的各项性能指标起着决定性的作用。
本文针对光栅测量的原理，设计了光栅栅距自动检测仪。首先，分析了光栅栅距自动检测仪传动系统的两种可行方案，拟定为光栅尺移动，相机及传感器固定的方式；其次，对传动系统进行设计计算，选择步进电机，设计丝杠及丝杠螺母；接着，对主体结构进行设计，对相关配件进行选型；再次，对控制步进电机的PLC进行选型。
本文所设计的光栅栅距自动检测仪性能稳定，全自动化，使用和维护方便。
关键词：光栅 检测仪 步进电机 莫尔条纹
ABSTRCT
Grating is used as the light transmittance, diffraction phenomenon made of photoelectric detection component, is used for the precise detection device for CNC machine tools and other engineering measurement, grating measurement technology plays a decisive role to guarantee the performance of modern machine tools.
In this paper, according to the principle of grating measurement, design the automatic detection instrument of grating pitch. First, analysis of the automatic detection of two kinds of feasible scheme of instrument transmission grating pitch grating ruler, designed for mobile, cameras and sensors fixed; secondly, design and calculation of transmission system, stepper motor selection, design of screw and screw nut; then, design the structure of main body, the selection of related accessories; again, the selection of the stepper motor control PLC.
Automatic detection instrument of stable performance, grating pitch design of the full automation, convenient use and maintenance.
Keywords: optical grating detecting instrument step motor moire fringe
第一章 绪论
1.1 课题研究的意义
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。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。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。
本次毕业设计提出以光栅莫尔条纹为基础，设计光栅栅距自动检测仪。通过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。对莫尔条纹进行拍照，通过计算机系统对拍照进行计算分析，设计此种自动检测仪。
目前，光栅测量技术已经相当成熟，但随着现代工业技术的发展，对光栅栅距测量的要求也会随之提高。为了满足更高的要求，光栅栅距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。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。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
在如此背景下，在精密机加工和数控机库中采用的精密位移数控系统框图中。光栅传感器在位移测量系统得到广泛应用，并逐步向智能化方向转化。这些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 国内外研究现状
20世纪50年代是数控机床的起步阶段。当时传统的机床越来越难以满足加工业的双高需求—高精度和高效率。因此对传统机床的改进显得尤其重要。近几十年来，美国、德国等国家先后在研制性能优良的数控机床上投入了大量的人力和物力。数控系统和机床的测量系统是现代数控机床的关键部件。尤其是机床的测量系统，它是保证机床高精度的前提条件。
近年来光栅测量系统在数控机床上的使用占具主要的地位。光栅测量系统的分辨率高达纳米级，测量速度高达480m/min,测量长度高达百米以上。由于这些无可比拟的优点，高精度、高切削速度的数控机床无疑要采用光栅测量系统。20世纪50年代德国HEIDENHAIN公司的Johannes Heidenhain博士发明了DIADUR工艺—在玻璃机体上镀铬的光刻复制工艺。该工艺后来用于光栅尺的制造上。在以后的几十年里，光栅尺的制造技术不断提高。近年来光栅测量系统在数控机床上的使用占具主要的地位。目前发达国家在光栅技术方面均投人大量的人力物力,通过研究光栅，开发了一系列新一代的对光栅测量要求很高的设备，例如数控设备等。例如，德国的SIEMENS公司、日本的FUNAC公司等等。
我国在光栅方面的研究起步较晚，于1960年前后，并在光栅和圆光栅的制造、用方面取得了许多成果。但是，我们与当今世界上主要的光栅测量装置生产厂家相比（德国的OPTION、Heidenhain公司、日本的三丰、双叶、美国的B&L公司等）有一定的差距，主要表现在：制造精度比较低、批量程度差、品种比较单一。
虽然我国数年来也不断对光栅测量方面的技术进行发展，但是出于种种原因，直到今天我国光栅测量领域依然处于比较落后的局面，我们必须对光栅技术不断加以研究和探索，从而带动整个现代工业加工的基础领域能有较大的发展，使得工业经济得到发展。
1.3 光栅测量原理
常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。
莫尔条纹:
图1-1 莫尔条纹
以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度θ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹” (如图1-1所示)。严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离为莫尔条纹的宽度，以w表示。
图1-2 莫尔条纹
莫尔条纹具有以下性质：
当用平行光束照射光栅时，透过莫尔条纹的光强度分布近似于余弦函数。
若用W表示莫尔条纹的宽度，d表示光栅的栅距，θ表示两光栅尺线纹的夹角，则它们之间的几何关系为：
无需复杂的光学系统和电子系统，利用光的干涉现象，就能把光栅的栅距转换成放大100倍的莫尔条纹的宽度。这种放大作用是光栅的一个重要特点。
由于莫尔条纹是由若干条光栅线纹共同干涉形成的，所以莫尔条纹对光栅个别线纹之间的栅距误差具有平均效应，能消除光栅栅距不均匀所造成的影响。
莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动相对应。两光栅尺相对移动一个栅距d，莫尔条纹便相应移动一个莫尔条纹宽度W，其方向与两光栅尺相对移动的方向垂直，且当两光栅尺相对移动的方向改变时，莫尔条纹移动的方向也随之改变。
