光柵與編碼器介紹

光柵與編碼器介紹

位置檢測(cè)裝置作為數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，其作用就是檢測(cè)位移量，并發(fā)出反饋信號(hào)與數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號(hào)相比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件使其向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直至偏差等于零為止。為了提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，必須提高檢測(cè)元件和檢測(cè)系統(tǒng)的精度。其中以編碼器，光柵尺，旋轉(zhuǎn)變壓器，測(cè)速發(fā)電機(jī)等比較普遍，下面主要對(duì)光柵和編碼器進(jìn)行說(shuō)明。

光柵,現(xiàn)代光柵測(cè)量技術(shù)

簡(jiǎn)要介紹：

將光源、兩塊長(zhǎng)光柵（動(dòng)尺和定尺）、光電檢測(cè)器件等組合在一起構(gòu)成的光柵傳感器通常稱為光柵尺。光柵尺輸出的是電信號(hào)，動(dòng)尺移動(dòng)一個(gè)柵距，輸出電信號(hào)便變化一個(gè)周期，它是通過(guò)對(duì)信號(hào)變化周期的測(cè)量來(lái)測(cè)出動(dòng)就與定就職相對(duì)位移。目前使用的光柵尺的輸出信號(hào)一般有兩種形式，一是相位角相差90度的2路方波信號(hào)，二是相位依次相差90度的4路正弦信號(hào)。這些信號(hào)的空間位置周期為W。下面針對(duì)輸出方波信號(hào)的光柵尺進(jìn)行了討論，而對(duì)于輸出正弦波信號(hào)的光柵尺，經(jīng)過(guò)整形可變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)輸出。輸出方波的光柵尺有A相、B相和Z相三個(gè)電信號(hào)，A相信號(hào)為主信號(hào)，B相為副信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)周期相同，均為W，相位差90o。Z信號(hào)可以作為較準(zhǔn)信號(hào)以消除累積誤差。

一、柵式測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)述

　 從上個(gè)世紀(jì)50年代到70年代柵式測(cè)量系統(tǒng)從感應(yīng)同步器發(fā)展到光柵、磁柵、容柵和球柵，這5種測(cè)量系統(tǒng)都是將一個(gè)柵距周期內(nèi)的絕對(duì)式測(cè)量和周期外的增量式測(cè)量結(jié)合了起來(lái)，測(cè)量單位不是像激光一樣的是光波波長(zhǎng)，而是通用的米制（或英制）標(biāo)尺。它們有各自的優(yōu)勢(shì)，相互補(bǔ)充，在競(jìng)爭(zhēng)中都得到了發(fā)展。由于光柵測(cè)量系統(tǒng)的綜合技術(shù)性能優(yōu)于其他4種，而且制造費(fèi)用又比感應(yīng)同步器、磁柵、球柵低，因此光柵發(fā)展得最快，技術(shù)性能最高，市場(chǎng)占有率最高，產(chǎn)業(yè)最大。光柵在柵式測(cè)量系統(tǒng)中的占有率已超過(guò)80%，光柵長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的分辨力已覆蓋微米級(jí)、亞微米級(jí)和納米級(jí)，測(cè)量速度從60m/min，到480m/min。測(cè)量長(zhǎng)度從1m、3m達(dá)到30m和100m。

二、光柵測(cè)量技術(shù)發(fā)展的回顧

　 計(jì)量光柵技術(shù)的基礎(chǔ)是莫爾條紋（Moire fringes），1874年由英國(guó)物理學(xué)家L.Rayleigh首先提出這種圖案的工程價(jià)值，直到20世紀(jì)50年代人們才開(kāi)始利用光柵的莫爾條紋進(jìn)行精密測(cè)量。1950年德國(guó)Heidenhain首創(chuàng)DIADUR復(fù)制工藝，也就是在玻璃基板上蒸發(fā)鍍鉻的光刻復(fù)制工藝，這才能制造高精度、價(jià)廉的光柵刻度尺，光柵計(jì)量?jī)x器才能為用戶所接受，進(jìn)入商品市場(chǎng)。1953年英國(guó)Ferranti公司提出了一個(gè)4相信號(hào)系統(tǒng)，可以在一個(gè)莫爾條紋周期實(shí)現(xiàn)4倍頻細(xì)分，并能鑒別移動(dòng)方向，這就是4倍頻鑒相技術(shù)，是光柵測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，并一直廣泛應(yīng)用至今。

　　 德國(guó)Heidenhain公司1961年開(kāi)始開(kāi)發(fā)光柵尺和圓柵編碼器，并制造出柵距為4μm（250線/mm）的光柵尺和10000線/轉(zhuǎn)的圓光柵測(cè)量系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)1微米和1角秒的測(cè)量分辨力。1966年制造出了柵距為20μm（50線/mm）的封閉式直線光柵編碼器。在80年代又推出AURODUR工藝，是在鋼基材料上制作高反射率的金屬線紋反射光柵。并在光柵一個(gè)參考標(biāo)記（零位）的基礎(chǔ)上增加了距離編碼。在1987年又提出一種新的干涉原理，采用衍射光柵實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的測(cè)量，并允許較寬松的安裝。1997年推出用于絕對(duì)編碼器的EnDat雙向串行快速連續(xù)接口，使絕對(duì)編碼器和增量編碼器一樣很方便的應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)?，F(xiàn)在光柵測(cè)量系統(tǒng)已十分完善，應(yīng)用的領(lǐng)域很廣泛，全世界光柵直線傳感器的年產(chǎn)量在60萬(wàn)件左右，其中封閉式光柵尺約占85%，開(kāi)啟式光柵尺約占15%。

三、當(dāng)今采用的光電掃描原理及其產(chǎn)品系列

　　 光柵根據(jù)形成莫爾條紋的原理不同分為幾何光柵（幅值光柵）和衍射光柵（相位光柵），又可根據(jù)光路的不同分為透射光柵和反射光柵。光米級(jí)和亞微米級(jí)的光柵測(cè)量是采用幾何光柵，光柵柵距為100μm至20μm遠(yuǎn)于光源光波波長(zhǎng)，衍射現(xiàn)象可以忽略，當(dāng)兩塊光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生低頻拍現(xiàn)象形成莫爾條紋，其測(cè)量原理稱影像原理。納米級(jí)的光柵測(cè)量是采用衍射光柵，光柵柵距是8μm或4μm，柵線的寬度與光的波長(zhǎng)很接近，則產(chǎn)生衍射和干涉現(xiàn)象形成莫爾條紋，其測(cè)量原理稱干涉原理?，F(xiàn)以Heidenhain產(chǎn)品采用的3種測(cè)量原理介紹如下。

1.具有四場(chǎng)掃描的影像測(cè)量原理（透射法）

　 采用垂直入射光學(xué)系統(tǒng)均為4相信號(hào)系統(tǒng)，是將指示光柵（掃描掩膜）開(kāi)四個(gè)窗口分為4相，每相柵線依次錯(cuò)位四分之一柵距，在接收的4個(gè)光電元件上可得到理想的4相信號(hào)，這稱為具有四場(chǎng)掃描的影像測(cè)量原理。Heidenhain的LS系列產(chǎn)品均采用此原理，其柵距為20μm，測(cè)量步距為0.5μm，準(zhǔn)確度為±10、±5、±3μm三種，最大測(cè)量長(zhǎng)度3m，載體為玻璃。

2.有準(zhǔn)單場(chǎng)掃描的影像測(cè)量原理（反射法）

　 反射標(biāo)尺光柵是采用40μm柵距的鋼帶，指示光柵（掃描掩膜）用二個(gè)相互交錯(cuò)并有不同衍射性能的相位光柵組成，這樣一來(lái)，一個(gè)掃描場(chǎng)就可以產(chǎn)生相移為四分之一柵距的四個(gè)圖象，稱此原理為準(zhǔn)單場(chǎng)掃描的影象測(cè)量原理。由于只用一個(gè)掃描場(chǎng)，標(biāo)尺光柵局部的污染使光場(chǎng)強(qiáng)度的變化是均勻的，并對(duì)四個(gè)光電接收元件的影響是相同的，因此不會(huì)影響光柵信號(hào)的質(zhì)量。與此同時(shí)，指示光柵和標(biāo)尺光柵的間隙和間隙公差能大一些。Heidenhain LB和LIDA系列的金屬反射光柵就是采用這一原理。LIDA系列開(kāi)式光柵其柵距為40μm和20μm，測(cè)量步距0.1μm，準(zhǔn)確度有±5μm、±3μm，測(cè)量長(zhǎng)度可達(dá)30m，最大速度480m/min。LB系列閉式光柵柵距都是40μm，最大速度可達(dá)120m/min。