精密光栅线位移传感器结构优化研究
目录
1. 绪论 (1)
1.1 课题的研究目的及意义 (1)
1.1.1 课题背景 (1)
1.1.2 课题研究意义 (3)
1.2 光栅线位移传感器概述 (3)
1.2.1光栅测量技术的发展简史 (3)
1.2.2 光栅线位移传感器的工作原理 (4)
1.2.3 光栅线位移传感器的分类 (6)
1.3 国内外研究现状 (7)
1.3.1 国外研究现状 (7)
1.3.2 国内研究现状 (10)
1.4 本课题的主要研究内容 (12)
1.4.1 课题来源 (12)
1.4.2 主要研究内容 (12)
2 光栅线位移传感器精度的影响因素分析 (13)
2.1 光栅线位移传感器的温度特性 (15)
2.2 光栅线位移传感器的机械误差 (19)
2.3 振动导致的误差 (20)
2.4 本章小结 (20)
3 .光栅线位移传感器结构优化设计 (21)
3.1 光栅尺的设计 (21)
3.1.1 光栅尺的选材 (21)
3.1.2 光栅尺的结构设计 (23)
3.2 读数头的选择 (27)
3.3 精密光栅线位移传感器机械结构设计 (28)
3.3.1 传动结构设计 (29)
3.3.2 精密光栅线位移传感器弹性连接件设计 (32)
3.3.3 精密光栅线位移传感器外观设计分析 (34)
3.4 本章小结 (37)
4 光栅线位移传感器的精度实验及应用研究 (38)
4.1 精密光栅线位移传感器的装配过程研究 (38)
4.1.1 精密光栅线位移传感器的装配 (38)
4.1.2 精密光栅线位移传感器的装配实验 (39)
4.2 精密光栅线位移传感器外观检定 (43)
4.2.1 外观 (43)
4.2.2 机械性能 (43)
4.2.3 功能 (44)
4.3 精密光栅线位移传感器的定位精度检定 (44)
4.3.1 精密光栅线位移传感器的定位精度检定 (44)
4.3.2 光栅线位移传感器速度试验 (48)
4.4 精密光栅线位移传感器的应用 (48)
4.5 本章小结 (49)
5 结论与展望 (50)
5.1 结论 (50)
5.2 展望 (50)
参考文献 (51)
附录：硕士研究生学习阶段发表论文和取得的成果 (55)
致谢 (56)
1. 绪论
1.1课题的研究目的及意义
1.1.1 课题背景
制造业因其创造的巨大价值而在国民经济中占据重要地位，一直都是各国研究的焦点，超精密制造技术的发展对检测技术的要求也越来越高，实现精确位移测量迫在眉睫[1]。大到军事装备，小到衣食住行，都离不开测量，尤其是现代制造业，要求测量反馈系统更精确、更直观、更可靠，精密数控机床作为超精密加工的技术手段，对自身的响应速度、输出精度和整机可靠性提出了很高的要求，因此，光栅位置检测装置作为系统的监控者对这几项指标的要求会更高。此外，高精度机床的加工精度取决于机床机械系统的精度和检测系统的反馈精度，机床中各零部件的制造过程也依赖于超精密检测技术[1]。超精密检测技术在军事工业中的地位也毋庸置疑，国防科学技术大学对高精度光栅检测技术进行了研究，并研制出适用于军工设备的大量程纳米级光栅线位移传感器，为国防事业做出了贡献[1]。
计量光栅技术是20世纪50年代发展起来的长度精密测量技术，高精度光栅尺母板的制造、电子电路的完善和发展使得光栅检测技术在现代科学技术的各个领域得以广泛应用[3][4]。在我国机电一体化技术的推动下，精密仪器、数控机床和各种检测设备得到大力发展，光栅测量反馈装置作为系统的监控者测量精度高、价格适中、防护等级高、动态测量范围广、易实现系统的自动化和数字化，因而成为数控机床不可或缺的组成部分，而光栅装置在微位移测量中的高可靠性已有相关文献验证[3][4]。在制造业领域中，光栅装置在数控机床上的应用最为广泛，是数控机床不可或缺的组成部分，其精度和可靠性直接决定了数控机床的加工精度和可靠性。我国对光栅测量技术的研究起步较晚，市面上的产品精度低、分辨率低、速度慢、调试困难。国内高档数控机床所用的光栅位置检测元件均是国外进口配套，每台机床需配备2套以上光栅部件，而国外产品价格非常昂贵，一套高精度的光栅线位移传感器少则几万，多则几十万，大大提高了数控机床的制造成本。我国机床行业本身利润较低，配备昂贵的光栅线位移传感器更是制约了高档数控机床行业的发展。自主研制出适用于高档数控机床的光栅线位移传感器对于打破国外垄断和提高国内数控机床产品的竞争力意义重大[10]。
美国Moore公司是世界著名的超精密机床生产厂家，其超精密磨床系列产品代表了国际最高技术水平，其编程分辨率可达10nm，其中Nanoform 700Ultra的