磨床测控装置的集成化设计及锁相技术研究

论文摘要

本文简要介绍了磨床测控装置的国内外发展状况及光栅测长的基本原理,对比分析了一些传统的莫尔条纹细分方法的优、缺点及适用范围。以研究实用性强、细分精度高的莫尔条纹信号细分方法为目的,采用乘法倍频技术与锁相式莫尔条纹信号细分方法相结合的新方案,通过理论分析与实验仿真,验证了该方案的可行性与实用性,可改善原始信号的质量,降低对光栅传感器输出信号正交性、等幅性等方面的要求,并能提高细分精度。在改进的锁相细分方法基础上,采用大规模在系统可编程逻辑器件实现集成化设计。具体介绍了在系统可编程器件及相关的硬件描述语言Verilog HDL,详细论述了基于锁相细分理论和ISP设计思想的高集成度磨床测控装置的设计方案。本设计采用软硬件相结合的方法,系统硬件设计具有模块化和多功能的特点,软件设计结合硬件特点编写。文中详细论述了各部分硬件电路的基本组成及实现的功能,给出了各功能模块的仿真结果,介绍了主程序及各功能子程序的设计思路,给出了软件资源分配方案及程序流程图。新型的集成化设计方案具有以下特点:细分数大且调整方便;可以在ISP器件内完成细分、计数功能;一些外围的数字电路集成在一片ISP器件内,提高了系统的集成度,性能可靠稳定;具有硬件设计软件化及在系统可编程的特点,便于电路的修改和功能的扩展。基于乘法倍频和锁相式莫尔条纹信号细分方法相结合的理论,利用可编程逻辑器件设计的磨床测控系统,提高了信号的跟踪能力、加工精度、集成度及可靠性。经过部分电路的实验、仿真及调试,验证了该设计方案的可行性,达到了磨削精度高、集成度高、系统可靠性好的效果,实现了磨床测控系统的数字化控制,具有一定的实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的意义
• 1.2 课题的来源及研究途径
• 1.3 课题的国内外发展现状
• 1.4 课题的研究目标
• 第二章 光栅位移测量技术及莫尔条纹信号细分方法研究
• 2.1 光栅位移测量技术简介
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 位移检测方法
• 2.1.3 莫尔条纹效应原理
• 2.1.4 光栅测量长度原理
• 2.1.5 光栅输出信号的数学模型
• 2.2 莫尔条纹细分方法
• 2.2.1 电桥细分与电阻链细分法
• 2.2.2 幅度分割式电子细分法
• 2.2.3 载波调制法
• 2.2.4 传统的锁相倍频细分法
• 2.2.5 改进的锁相细分方法
• 2.3 本章小结
• 第三章 在系统可编程技术及数字锁相环研究
• 3.1 ISP技术
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 ISP的应用特点及优越性
• 3.1.3 硬件描述语言Verilog HDL
• 3.1.4 软件设计平台
• 3.2 数字锁相技术
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 一般构成与分类
• 3.2.3 数字锁相环工作原理及设计方案
• 3.3 本章小结
• 第四章 磨床测控装置的硬件设计
• 4.1 硬件总体设计
• 4.1.1 系统总体结构
• 4.1.2 CPU的选择
• 4.1.3 PLD器件的选择
• 4.2 测量放大器的设计
• 4.3 乘法倍频对锁相细分方法的改进
• 4.3.1 基本思想及原理
• 4.3.2 乘法倍频对原始信号质量的改善
• 4.3.3 乘法倍频后级调整电路
• 4.4 调相电路的设计
• 4.5 带通滤波器的设计
• 4.6 锁相细分方法原理及相位调制中的仿真分析
• 4.7 单片机控制系统
• 4.7.1 单片机对键盘/显示器的控制
• 4.7.2 掉电保护电路
• 4.7.3 通讯电路
• 4.7.4 输出控制电路
• 4.8 ISP集成电路
• 4.8.1 ISP对8279的管理
• 4.8.2 分频器
• 4.8.3 计数器模块及单片机与计数器通讯模块
• 4.9 本章小结
• 第五章 磨床测控装置的软件设计
• 5.1 软件总体设计
• 5.2 内部资源分配
• 5.3 主程序设计
• 5.4 主要功能子程序设计
• 5.4.1 键盘中断子程序
• 5.4.2 掉电保护子程序
• 5.4.3 串行中断子程序
• 5.4.4 读数子程序
• 5.4.5 运算子程序
• 5.4.6 8279显示子程序
• 5.4.7 自测功能子程序
• 5.5 ISP程序设计
• 5.5.1 ISP总体程序设计
• 5.5.2 细分模块
• 5.5.3 计数模块
• 5.5.4 通讯模块
• 5.6 本章小结
• 第六章 整机调试与误差分析
• 6.1 系统调试
• 6.2 误差分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 附录 硬件原理图
• 在学研究成果
• 致谢