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光栅测量系统作为精密制造业和精密测量仪器的关键元器件,综合了光学、机械、微电子等技术,将位置信息转换成相应的电信号输出,可实现对角度、尺寸、位移等相关几何量的测量,具有精度高、行程大、非接触、无磨损、抗干扰能力强等优点。随着光栅加工和信号处理技术的不断进步,目前的光栅测量系统测量精度基本可以和激光干涉仪媲美；随着光栅测量系统主控系统的发展,光栅测量系统能实时跟踪与测量被测物体的几何信息。因此,在实际应用中光栅测量系统具有较强的适应性,在机床数控、测量仪器、精密制造等领域具有重要应用价值和广泛的发展空间。本文根据光、机、电技术,设计了一套集成度高、处理能力强、功耗低的新型高精度光栅测量系统。首先,在详细论述新型高精度光栅测量系统的原理与实现方式的基础上,确定了以ARM为核心的主控电路板,设计了光栅测量系统的主控电路与信号采集模块。主要包括基于AD795与四象限光电探测器的光电探测器电路；基于双通道运算放大器的低通巴尔沃斯滤波器和高通切比雪夫滤波器的信号调理电路；基于多通道AD7606的高精度模数转换电路；基于STM32F103RCT6的主控电路；系统电源以及压电陶瓷PZT驱动电路。在硬件设计的基础上完成相应的软件设计。该设计满足系统对光信号的实时采集与处理。其次,设计了光栅测量系统光路及其所需机械结构。本光栅测量系统选用分布反馈式激光二极管作为系统光源；选取了分光光栅、分光镜、反射镜、准直镜、物镜、光栅、柱面镜等设计了满足系统精度要求的光路结构。同时为了保证光信号传输的可靠性,设计并制作了对应的机械结构,实现了对系统光路的安装和调整。在高精密隔振平台之上完成光路系统搭建。第三,设计了以自聚焦PID控制器+压电陶瓷PZT为核心的测头自聚焦控制系统。当系统激光未聚焦于光栅栅平面时,主控板将通过测头自聚焦控制系统运行自聚焦PID控制器,驱动PZT,带动物镜,将激光聚焦于光栅栅平面上,保证了系统的测量精度,同时允许较大的安装公差。测头自聚焦控制系统通过自聚焦PID控制器完成闭环控制,本文选取了BP-PID、PSO-BP-PID、MPSO-BP-PID三种PID控制器进行仿真对比,结果表明MPSO-BP-PID控制器能快速、高效完成对非线性被控制系统的实时控制。最后,完成了系统整体组装和调试,并对该系统进行了功能和性能测试及实验研究。实验表明,在(0-30)mm位移测量范围；本系统的分辨率优于10μm,且克服了系统的安装公差。